1 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE VERACRUZ Procesos de Obtención del n-ButanolINSTITUTO TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO INSTITUTO TECNOLÓGICO DE VERACRUZ Procesos de Obtención del n-Butanol
2 RESUMEN: Durante los últimos 30 años la producción de bio-etanol como combustible renovable se ha incrementado de forma considerable. Tradicionalmente, bio-butanol se produce con el proceso de ABE (acetona Butanol etanol) usando Clostridium especies de fermentar azúcares a partir de la biomasa. Sin embargo, la ruta se asocia con algunas desventajas, tales como bajo rendimiento butanol y la formación de subproductos (acetona y etanol). Por otro lado, butanol puede ser producido directamente a partir de etanol a través de la condensación aldólica sobre óxidos de metal / catalizadores de hidroxiapatita. Este documento sugiere que la ruta de conversión química es más preferible que el proceso de ABE, debido a que la reacción procede más rápidamente en comparación con la ruta de fermentación y se necesitan menos pasos para obtener el producto.
3 INTRODUCCIÓN: A nivel mundial, el consumo de energía se ha incrementado en el último siglo, ocasionado principalmente por el crecimiento de la población y por la industrialización de muchas ciudades. Aunado a esto, la crisis ecológica inminente, de forma relevante y global ya observable en el calentamiento del planeta, debida sobre todo al alto consumo de petróleo como energético principal, obliga al replanteamiento urgente de estructuras alternativas tanto industriales como económicas viables para sustituir, o por lo menos disminuir, el uso de éste combustible fósil y sus derivados. Varios países han enfocado e intensificado sus esfuerzos en desarrollar programas de investigación en biocombustible
4 GENERALIDADES DEL BUTANOLAlcohol de 4 Carbonos (CH4H9OH) Isoméros: Se utiliza : Principalmente como un disolvente, intermedio químico, y extractante en la cosmética y la industria farmacéutica y también para la producción de acrilato de butilo y metacrilato Intermediario en síntesis química (éster/éter de butilo) Combustible (n-butanol e iso-butanol)
5 (Petro-butanol), siendo la ruta más conocida el proceso oxo:¿Cómo se produce? FERMENTACIÓN (Biobutanol) SÍNTESIS QUÍMICA (Petro-butanol), siendo la ruta más conocida el proceso oxo:
6 En los últimos años, n-butanol ha llamado la atención de los investigadores como un biocombustible alternativo en bioetanol. Aunque la mayoría de los investigadores y las industrias anteriormente se centraba en el etanol como un combustible que butanol el butanol podría ser una mejor opción directa El alcohol de cadena lineal ( n -butanol) se considera como la próxima generación de biocombustibles debido a las muchas ventajas sobre etanol (ver Tabla 1 ), tales como un mayor contenido de energía, menor volatilidad, y no se adsorbe fácilmente la humedad . CARACTERÍSTICAS BUTANOL ETANOL GASOLINA FÓRMULA CH4H9OH CH2H5OH PUNTO DE EBULLICIÓN 118 ºC 78ºC 100ºC DENSIDAD DE ENERGÍA (MJKG-1) 33.1 26.9 32 RELACIÓN DE AIRE INFLAMABLE 11.2 9.0 14.6 OCTANOS 96 129 85-90 INDICE DE OCTANOS EN EL MOTOR 78 102 91-96 EL CALOR DE VAPORIACIÓN 0.43 0.92 0.36 La otra ventaja añadida es átomos de carbono de butanol doble que la de etanol. Se sabe que cuanto mayor es el número de átomos de carbono, más energía está contenida (aproximadamente 30% más de energía) en butanol en comparación con etanol
7 CARÁCTERÍSTICAS DEL ETANOL Y BUTANOL.La presión de vapor Reid de n -butanol es 7,5 veces menor que la de etanol, por lo que es menos de evaporación / explosivo . Si el uso de una mezcla, n -butanol se puede mezclar en proporciones más altas que el etanol con gasolina para su uso en coches existentes sin la necesidad de modificación como la relación de aire-combustible y el contenido de energía están más cerca de la de la gasolina El punto de ebullición alto de butanol que la de etanol provoca butanol a tomar mucho más tiempo para ser quemado en el motor de motor de etanol. También es menos corrosivo y más adecuado para su distribución a través de tuberías de gasolina existentes. CARÁCTERÍSTICAS DEL ETANOL Y BUTANOL. Llamar a la puerta también puede causar daños en el motor . A diferencia de otros alcoholes, la Empresa de Energía del Medio Ambiente (Estados Unidos), se confirmó que el n-butanol puede ser utilizado como un reemplazo total de la gasolina sin ninguna modificación en los motores de automóviles Además, alto octanaje hace que el alcohol más adecuado para ser utilizado en motores de combustión interna. Un combustible con un menor índice de octano es más propenso a la detonación (combustión extremadamente rápida y espontánea por compresión) y reducirá la eficiencia.
8 A pesar de todos los beneficios asociados con el uso del alcohol como combustible, existen problemas técnicos asociados con el bio-producción de butanol como el bajo rendimiento de producción y alto costo de sustrato. Muchos esfuerzos se dirigen hacia la utilización de sustrato-menores costos tales como rastrojo de maíz , los residuos agrícolas y la paja de arroz , paja de cebada y el pasto varilla . La primera generación de bio-butanol provoca problemas que van desde un impacto negativo en la seguridad alimentaria, el aumento de precios de los alimentos y las pérdidas netas de energía Búsqueda de sustratos de segunda generación más baratos, la tecnología y otras fuentes de carbono será necesario si los biocombustibles son renovables para hacer más ventajas significativas en la cartera de energía del mundo. Lignocelulosa es potencialmente la mejor materia prima para la producción de bio-butanol y bioconversión por lo tanto más eficiente de la celulosa y la hemicelulosa a ser buscado para el éxito económico de la producción industrial de bio-butanol . La investigación sobre la conversión más eficaz de los materiales de la biomasa mediante procesos económicamente viables tanto, es de principal importancia. Este artículo es una revisión detallada de las opciones actuales de producción de n -butanol a partir de biomasa utilizando estrategias bioquímicas y químicas. Además, la revisión discute la historia de butanol, los distintos mecanismos de síntesis, sus ventajas y desventajas y también el futuro en la industria de bio-butanol actual en el escenario global.
9 Demanda del n-Butanol La demanda global ascendióa 3,7 Mt métricas en 2012, con un valor de 6.400 MUSD. Se estima que llegará a 4 millones de toneladas en el 2020. Su principal uso es como intermediario industrial, particularmente para la fabricación de acrilato de butilo (que es tanto un saborizante artificial como un solvente industrial).
10 Ruta de Producción Bioquímica Vía Metabólica de Fermentación ABELa acetona-butanol-etanol (ABE) de fermentación tiene muchas ventajas, ya que depende en gran medida de la disponibilidad de materias primas baratas y abundantes. Fermentación Bio-butanol a partir de glicerol biodiesel derivado también se considera como una ruta alternativa, ya que utiliza los productos de desecho de la producción de biodiesel. El renovado interés de la producción de butanol no sólo ha puesto de relieve su uso como un producto químico, sino también como un biocombustible alternativo, debido a un aumento de los precios del petróleo Ruta de Producción Bioquímica (Fermentativa) Vía Metabólica de Fermentación ABE Las rutas más atractivas para la producción de bio-butanol son a través de la fermentación de azúcar de glicerol o lignocelulosa materia prima en la presencia de diferentes microorganismos de la Clostridiaceae familia La acetona-butanol-etanol (ABE) de fermentación tiene muchas ventajas, ya que depende en gran medida de la disponibilidad de materias primas baratas y abundantes. Fermentación Bio-butanol a partir de glicerol biodiesel derivado también se considera como una ruta alternativa, ya que utiliza los productos de desecho de la producción de biodiesel. El renovado interés de la producción de butanol no sólo ha puesto de relieve su uso como un producto químico, sino también como un biocombustible alternativo, debido a un aumento de los precios del petróleo La vía metabólica utiliza la glucosa derivada de la hidrólisis de los hidratos de carbono (Fig. 1 , paso 1) que se descompone por la enzima amilasa para formar ácidos grasos, y disolventes por C. acetobutylicum vía anaeróbica fermentación. El mecanismo de ABE se ha dilucidado, de carbono de los hidratos de carbono en forma de azúcares de pentosa y hexosa (mono-, di-, tri-, y polisacáridos) se metabolizan a través de la ruta de Embden-Meyerhof (Paso 2) en piruvato. La degradación de 1 mol de azúcar conduce a 2 moles de piruvato con una formación neta de 2 moles de trifosfato de adenosina (ATP) y 2 moles de dinucleótido de nicotinamida y adenina (NADH).
11 Figura 1. Vía Metabólica de Fermentación ABE
12 El piruvato se convierte más en acetil-CoA y dióxido de carbono (CO 2 ) ( Fig. 1 , paso 3).A partir de entonces, paso 4 muestra acetil CoA se convierten en otros compuestos intermedios (acetaldehído, butiraldehído) que en última instancia conducen a productos oxidados (acetona, acetato), y / reducción de los productos tales como butanol y etanol. La primera aparición de productos intermedios y la formación de ácido se conoce como acidogénesis, y esto se produce en condiciones de crecimiento específicas, tales como valores de pH> 5 y limitación de hierro. Por lo tanto, el ATP se genera continuamente durante este proceso. Durante la acumulación de ácidos orgánicos (acidogénesis), el pH del cultivo se reduce, debido a la interruptor metabólico de C. acetobutylicum de acidogénesis a solvontogenesis . Los ácidos orgánicos se utilizan para la formación de disolventes (Solvontogenesis). La segunda fase de fermentación es ABE solventogenesis, una etapa en la que los ácidos son re-asimilados para producir acetona, butanol, etanol, ácido acético, ácido butírico, hidrógeno y dióxido de carbono como los principales productos. Esta etapa de la fermentación se produce con frecuencia en varias cepas bacterianas de las especies de Clostridia que utilizan una amplia gama de fuentes de carbono tales como el almidón. Una materia prima abundante y barato investigado e identificado como sustratos alternativos para la producción de butanol a través de ABE fermentación es la biomasa lignocelulósica, que incluye los residuos agrícolas a saber, la fibra de maíz, paja de trigo y switchgrass Acetato y butirato se asimilan a sus correspondientes derivados de la CoA catalizadas por la acetoacetil.CoA: aciltransferasa-CoA, con acetoacetil.CoA como donante CoA. La utilización de acetato y butirato se produce a través de la acetoacetil-CoA: acetato / butirato: transferasa CoA (capa) y la vía con la formación de acetona. Butiril-CoA se convierte en butaraldehydes, y finalmente a etanol y butanol. Mientras tanto, acotoacetyl-CoA se convierte en acetona y acetaldehídos a etanol
13 Producción de n-Butanol con Clostridium.Las cepas más usadas para la fermentación industrial ABE son principalmente del género Clostridium: Clostridium acetobutylicum, Clostridium beijerinkii, Clostridium saccharobutylicum y Clostridium saccharobutylacetonicum. Las especies de acetobutylicum y beijerinkii son adecuadas para la fermentación acetonabutanol a partir de maiz mientras que las saccharobutylicum y saccharobutylacetonicum utilizan melaza como sustrato. Acetobutylicum tiene la ventaja de ser muy diverso en los sustratos que metaboliza; utilizando glucosa, galactosa, celobiosa, manosa, xilosa y arabinosa. Además, es también diversa la batería de enzimas que libera al medio, incluyendo: α y β-amilasas, α y β-glucosidasas, pululanasas, amilopululanasas, entre otras. Una vez que los azúcares son metabolizados a piruvato, la fermentación a butanol en Clostridium es catalizada por diversas enzimas: una acetato/butirato CoA transferasa, varias deshidrogenasas y una acetato descarboxilasa. Durante el proceso de producción de butanol con Clostridium se presenta, entre otros, un cambio fisiológico importante en la bacteria: los ácidos acético y butírico son liberados al medio durante la fase de crecimiento exponencial los cuales son reabsorbidos al interior de la célula, para ser metabolizados a butanol, acetona y, en mucho menor medida en etanol. Esto se debe a que C. acetobutylicum carece de homeostasis al nivel de pH, por lo que depende íntimamente del pH extracelular. La presencia de ácidos en el medio puede provocar una pérdida del potencial protónico de la célula, inactivándola.
14 Vías fermentativas de C. acetobutylicum
15 Materia Prima para la Producción de Butanol TípicaBio-butanol se produce por lo general a partir de biomasa de cultivos alimentarios que son materia prima de primera generación, sin embargo, la generación de segundo material de alimentación que no se consideran para el consumo humano son los preferidos. La materia prima de segunda generación se desean en la ABE fermentación debido al hecho de que son productos no alimenticios y no compiten por el uso del suelo. Bio-butanol puede ser producida por una variedad de diferentes microorganismos de la Clostridiaceae familia bacteriana. Bio-butanol puede ser producida por una variedad de diferentes microorganismos de la Clostridiaceae familia bacteriana. Clostridia son en forma de barra, las bacterias gram-positivas que forman esporas y anaerobios muy estrictas. Clostridia son bien conocidos para producir varios productos que no se pueden lograr mediante el uso de síntesis química
16 Generación de Bio-Butanol.se produce en su mayoría proporcionada por fermentación de azúcares de hexosa en su mayoría. Biocombustibles a partir de diferentes residuos agrícolas y parte de la biomasa de las plantas a menudo se denominan segunda generación PRIMERA Estos azúcares se derivan a través de la hidrólisis de los cultivos ricos en almidón tales como maíz, trigo, arroz y yuca. bio-convertida en glucosa utilizando la enzima glucoamilasa. SEGUNDA La principal ventaja de la producción de biocombustibles de segunda generación es que no hay competencia con la cadena de alimentación de los alimentos y su disponibilidad es diversa. Generación de Bio-Butanol. Las algas se ha convertido cada vez más una de la materia prima prometedora, que surge de su amplia disponibilida. La razón de esto, la mayoría de las especies tienen un alto contenido de aceite de aproximadamente el 50%, y que lo hace adecuado para la producción de biodiesel. Los residuos verdes restante que queda después de la extracción de aceite puede ser usado más para la producción de bio-butanol. Los dos tipos distintos de algas es microalgas y macroalgas. TERCERA
17 CUADRO COMPARATIVO DEL PROCESO BIOQUÍMICO Y QUÍMICOFERMENTATIVA (BIOQUÍMICA) QUÍMICA (n-BUTANOL A PARTIR DE ETANOL) Se enfrenta a desafíos técnicos y económicos significativos, tales como la búsqueda de microorganismos eficientes para convertir los azúcares fermentables a la bio-butanol la ruta química por lo general implica paso simple en la presencia de catalizadores que se emplean para conseguir la conversión de etanol adecuado en n -butanol en relativamente mayor rendimiento y conversiones. La ruta bio-química puede implicar varios pasos. sólo se requiere una sola etapa para la producción de n -butanol a partir de etanol MECANISMO DE n-BUTANOL A ETANOL Figura 2. El mecanismo de reacción para la producción de n -butanol a partir de etanol en una fase líquida
18 Deshidrogenación de etanol: permite la eliminación de hidrógeno en una reacción química. En este caso, el etanol se utiliza sobre todo para sintetizar acetato de etilo y acetaldehídos, demostraron que la deshidrogenación es de suma importancia en el proceso de industrial para producir productos químicos finos, productos petroquímicos, y productos oleoquímicos. En el Esquema 1, el primer paso (marcado como paso 1) presenta la deshidrogenación de una molécula y seguido por condensación aldólica en los catalizadores heterogéneos de presencia para producir un producto deseado Condensación aldólica: fenómeno como bien conocido usado para producir un β-hidroxialdehıdo o β-hidroxicetona. Esto ocurre en una reacción que contiene enol orgánico o un ion enolato que reacciona con un compuesto de carbonilo y seguido por deshidratación para dar un producto deseado. Condensación aldólica es uno de los método de síntesis orgánica importante con ventaja para formar enlaces carbono-carbono. Reacción de Guerbet es uno de los tipos de condensación aldólica, en el que un aldehído in situ se forma a partir de un alcohol y luego auto-condensa para el alcohol dimerizada
19 HIDROGENACIÓN:
20 Condensación Aldólica del AcetaldehídoLa condensación aldólica es una reacción propia de aldehídos con hidrógenos α para dar lugar a un aldol o β-hidroxialdehído en baja proporción. La condensación aldólica del acetaldehído se utiliza para obtener butanol o 2-etilhexanol.
21 La fermentación ABE fue ampliamente utilizada en el siglo pasado, su aplicación industrial es todavía muy limitada: tanto por el elevado costo de re-cuperación-separación de los productos por su baja concentración; en el caso particular que atañe a esta revisión, por los bajos rendimientos del butanol; así como también por la inactivación del microorganismo durante la producción de acetona-butanol-etanol. El interés reciente en la producción de butanol a partir de biomasa ha permitido la re-examinación de la fermentación ABE, incluyendo estrategias para reducir o eliminar la toxicidad del butanol en el medio de cultivo o para modificarlo para obtener una mejor especificidad del producto y rendimiento (Chukwuemeka et al., 2007). Aunque actualmente, los rendimientos y productividades obtenidos de este alcohol son bajos, su obtención mediante microorganismos es un proceso prometedor a mediano plazo. Entre los grandes retos que se tienen que superar para que la obtención CONCLUSIÓN: La fermentación ABE fue ampliamente utilizada en el siglo pasado, su aplicación industrial es todavía muy limitada: tanto por el elevado costo de re-cuperación-separación de los productos por su baja concentración; en el caso particular que atañe a esta revisión, por los bajos rendimientos del butanol; así como también por la inactivación del microorganismo durante la producción de acetona-butanol-etanol. El interés reciente en la producción de butanol a partir de biomasa ha permitido la re-examinación de la fermentación ABE, incluyendo estrategias para reducir o eliminar la toxicidad del butanol en el medio de cultivo o para modificarlo para obtener una mejor especificidad del producto y rendimiento. Aunque actualmente, los rendimientos y productividades obtenidos de este alcohol son bajos, su obtención mediante microorganismos es un proceso prometedor a mediano plazo. Entre los grandes retos que se tienen que superar para que la obtención. En general, butanol ofrece una gran promesa como sustituto de la gasolina. La razón principal es que butanol es un alcohol puro con cadena de hidrocarburos más larga, por lo que es no polar, con un contenido de energía similar a la de la gasolina y, por lo tanto, puede ser utilizado directamente como combustible en motores de combustión interna existente ya sea por mezcla o utilizarlo en forma pura. Por lo tanto, con todos los puntos clave de la literatura destacaron en este documento, que muestra la sostenibilidad de considerar bio-butanol como combustible, es imprescindible la utilización de este tipo de combustible en un futuro próximo microbiológica del butanol pueda desplazar a otros biocombustibles como el etanol, están el aumentar el rendimiento de conversión de azúcares en butanol minimizando la formación de subproductos y optimizar las condiciones de fermentación para alcanzar mayores concentraciones de producto.
22 BIBLIOGRAFÍAS: