Biobutanol

Biobutanol
Andere Namen	1-Butanol, Butan-1-ol (n-Butanol); i-Butanol, iso-Butanol (Isobutanol);
Kurzbeschreibung	Kraftstoff für Otto-Motoren
Herkunft	biosynthetisch beziehungsweise biogen
CAS-Nummer	71-36-3 (n-Butanol); 78-83-1 (Isobutanol);
Eigenschaften
Aggregatzustand	flüssig
Viskosität	2,63 mm2/s bei 40 °C (n-Butanol)[1]
Dichte	0,81 g/cm3 (n-Butanol)[2]; 0,802 g/cm3 (Isobutanol)[2];
Heizwert	33,1 MJ/kg (n-Butanol)[1]; 33 MG/kg (Isobutanol)[3];
Oktanzahl	96 / 78 (ROZ/MOZ) (n-Butanol)[2]; 113 / 94 (ROZ/MOZ) (Isobutanol)[2];
Cetanzahl	25 (n-Butanol)[1]; < 15 (Isobutanol)[3];
Siedebereich	Siedepunkt 117,7 °C (n-Butanol)[1]
Flammpunkt	35 °C (n-Butanol)[2]; 28 °C (Isobutanol)[2];
Zündtemperatur	385 °C (n-Butanol)[1]
Explosionsgrenze	1,4–11,2 Vol.-% (n-Butanol)[1]
Mindestluftbedarf	11,21 mol/mol (n-Butanol)[2] 11,1 mol/mol (Isobutanol)[3]
Sicherheitshinweise
	GHS-Gefahrstoffkennzeichnung ; keine Einstufung verfügbar[4]
	GHS-Gefahrstoffkennzeichnung ; keine Einstufung verfügbar[4]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Als Biobutanol (C₄H₁₀O) werden Butanole bezeichnet, die aus Biomasse, wie z. B. Zucker, Stärke, Stroh oder Holz, gewonnen werden. Werden cellulosereiche Rohstoffe wie Stroh oder Holz verwendet, spricht man auch von Cellulose-Butanol.

Von besonderer Bedeutung sind dabei n-Butanol und Isobutanol (i-Butanol) als Biokraftstoffe.[5] Sie können als Beimischungen für den Ottokraftstoff zum Betrieb von Benzinmotoren genutzt werden. n-Butanol kann auch zu Diesel beigemischt werden und sogar als Reinstoff benutzt werden.[6]

Es sind verschiedene Verfahren zur biotechnologischen Produktion von n-Butanol und Isobutanol bekannt[5], allerdings ist die Produktion noch nicht wirtschaftlich genug für einen Durchbruch.[1]

Herstellung

n-Butanol

Biobasiertes n-Butanol kann durch Fermentation von pflanzlicher, meist zuvor aufbereiteter Biomasse produziert werden. Ausgangsstoffe sind dabei Kohlenhydrate, wie z. B. Saccharose oder Stärke. Am bekanntesten ist hierbei die Aceton-Butanol-Ethanol-Gärung, bei der das Bakterium Clostridium acetobutylicum eingesetzt wird. Derzeit befinden sich jedoch auch eine Reihe von anderen Mikroorganismen (z. B. gentechnisch modifizierte Hefen, Escherichia coli,…) in der Entwicklung, die n-Butanol einfacher und kostengünstiger produzieren können.[7][8]

Der Unterschied zur Ethanolproduktion liegt primär in der Fermentation, während die Destillation sehr ähnlich verläuft. Existierende Bioethanol-Anlagen können relativ einfach auf die Produktion von n-Butanol umgerüstet werden.[1]

Isobutanol

Auch Isobutanol ist ein Nebenprodukt, z. B. im Stoffwechsel von Hefen, und wird dort in geringer Menge beim Abbau der Aminosäure Valin gebildet.[2] Der Einbau dieses Stoffwechselweges in diverse andere Mikroorganismen um höhere Effizienz zu erzielen wurde erfolgreich erprobt.[2] Im Labormaßstab konnte Isobutanol außerdem durch CO₂, welches elektrochemisch in Formiat umgewandelt wurde, in genetisch veränderten Bakterien hergestellt werden.[2]

Ebenso wie Bakterien können Hefen zur Biobutanol-Produktion eingesetzt werden[9]

Potential als Kraftstoff

Buick Park Avenue – dieses Modell ist 2005 ohne Änderungen am Motor mit 100 % n-Butanol gefahren

Da Biobutanol aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt wird, ergeben sich ähnliche Vor- und Nachteile, wie bei allen anderen Biokraftstoffen. n-Butanol ist als Zusatz sowohl für Benzinmotoren als auch für Dieselmotoren denkbar.[1] Für die Mischung mit Diesel wird angenommen, dass so Ruß- und Stickoxidemissionen reduziert werden können. Allerdings liegt die Cetanzahl unter der von Diesel und Biodiesel, wodurch die Selbstzündung erschwert ist.[1]

2005 konnte gezeigt werden, dass n-Butanol auch als alleiniger Kraftstoff funktionieren kann, indem ein alter Buick mit reinem n-Butanol betrieben wurde.[10] Im Vergleich zum Benzinbetrieb hätte ein mit n-Butanol betriebenes Auto allerdings einen höheren Verbrauch und weniger Leistung.[1]

Isobutanol kann außerdem auch zur Herstellung von Flugzeugkraftstoffen (Alcohol-to-Jet) benutzt werden. 2014 testete die United States Army erfolgreich den Einsatz eines Hubschraubers mit einem Treibstoffgemisch aus 50 % petrochemischem Kraftstoff und 50 % aus biobasiertem Isobutanol hergestelltem Kraftstoff.[11]

Bei der Frage, ob n-Butanol[1] oder Isobutanol[2] aussichtsreicher als Zukunftstreibstoff ist, ist die Meinung geteilt. In jedem Fall besitzen beide Isomere gegenüber Bioethanol einige wesentliche Vorteile:

Die Butanole sind weniger flüchtig als Ethanol. Dadurch ist die Gefahr des Ausgasens verringert, was einen Sicherheitsvorteil darstellt.[1][12]
Die Energiedichte der Butanole ist höher als bei Ethanol. Somit ist der Kraftstoffverbrauch geringer und die Reichweite höher.[1][12]
Die Butanole besitzen eine höhere Viskosität als Ethanol. Dadurch wird Abriebsproblemen im Motorraum vorgebeugt.[1][12]
Es gibt bei den Butanolen weniger Zündprobleme beim Kaltstart als bei Ethanol, da die Verdampfungsenthalpie kleiner ist.[1][12]
Die Butanole können in höherem Verhältnis mit Benzin gemischt werden, ohne dass der Motor angepasst werden muss.[1][12]
Butanole können – anders als Ethanol – in bestehenden Pipelines transportiert werden.[5]

Ein Nachteil gegenüber Ethanolzusatz im Benzinmotor ist, dass die Oktanzahl der Butanole – insbesondere bei n-Butanol[12] – geringer ist.[1]

Einzelnachweise

Wagner Roberto da Silva Trindade & Rogério Gonçalves dos Santos: Review on the characteristics of butanol, its production and use as fuel ininternal combustion engines. In: Renewable and Sustainable Energy Reviews. Band 69, 2017, S. 642–651, doi:10.1016/j.rser.2016.11.213.
Pamela P. Peralta-Yahya, Fuzhong Zhang, Stephen B. del Cardayre & Jay D. Keasling: Microbial engineering for the production of advanced biofuels. In: Nature. Band 488, 2012, S. 320–328, doi:10.1038/nature11478.
Murat Karabektas & Murat Hosoz: Performance and emission characteristics of a diesel engine using isobutanol–diesel fuel blends. In: Renewable Energy. Band 34, 2009, S. 1554–1559, doi:10.1016/j.renene.2008.11.003.
Dieser Stoff wurde in Bezug auf seine Gefährlichkeit entweder noch nicht eingestuft oder eine verlässliche und zitierfähige Quelle hierzu wurde noch nicht gefunden.
Ashraf Elfasakhany: Investigations on performance and pollutant emissions of spark-ignition engines fueled with n-butanol–, isobutanol–, ethanol–, methanol–, and acetone–gasoline blends: A comparative study. In: Renewable and Sustainable Energy Reviews. Band 71, 2016, S. 404–413, doi:10.1016/j.rser.2016.12.070.
B. Ndaba, I. Chyanzu & S. Marx: n-Butanol derived from biochemical and chemical routes: A review. In: Biotechnology Reports. Band 8, 2015, S. 1–9, doi:10.1016/j.btre.2015.08.001.
Alexandra M. Goho: Better Bugs for Making Butanol – Engineered E. coli proves efficient at churning out the biofuel; Technology Review (engl.); 16. Januar 2008.
Yuqiang Li, Wei Tang, Yong Chen, Jiangwei Liu & Chia-fon F. Lee: Potential of Acetone-Butanol-Ethanol (ABE) as Biofuel. In: Fuel. Band 242, 2019, S. 673–686, doi:10.1016/j.fuel.2019.01.063.
Kirstin Schilling: Gründung eines Spin-offs. In: Forschen – Patentieren – Verwerten. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 2014, ISBN 978-3-642-54993-9, S. 289–308.
Peter Dürre: Fermentative Butanol Production – Bulk Chemical and Biofuel. In: Annales by the New York Academy of Sciences. Band 1125, 2008, S. 353–362, doi:10.1196/annals.1419.009.
Dianne J. Luning Prak, M. Hope Jones, & Paul Trulove: Physical and Chemical Analysis of Alcohol-to-Jet (ATJ) Fuel and Development of Surrogate Fuel Mixtures. In: Energy Fuels. Band 29, Nr. 6, 2015, S. 3760–3769, doi:10.1021/acs.energyfuels.5b00668."
Michael Köpke, Ryan E. Hill, Rasmus Ø, Jensen Dürre & Peter Dürre: Production of Biobutanol, from ABE to Syngas Fermentation. In: Xuefeng Lu (Hrsg.): Biofuels. Band 4. Caister Academic Press, 2014, ISBN 978-1-908230-45-4, S. 137–162.

Literatur

Garabed Antranikian: Angewandte Mikrobiologie, 1. Auflage, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2006, ISBN 3-540-24083-7.
Georg Fuchs (Hrsg.): Allgemeine Mikrobiologie, begründet von Hans-Günter Schlegel, 8. Auflage. Georg Thieme Verlag, Stuttgart, New York 2007, ISBN 978-3-13-444608-1.
Michael T. Madigan, John M. Martinko, Paul V. Dunlap, David P. Clark: Brock – Biology of Microorganisms, 12. Auflage. Pearson, San Francisco u. a. O. 2009, ISBN 0-321-53615-0.
Kevin Bullis: Billiges Butanol aus Biomasse; Technology Review; 3. November 2008.

Weblinks

www.greencarcongress.com Biobutanol

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[Trindade-1] Wagner Roberto da Silva Trindade & Rogério Gonçalves dos Santos: Review on the characteristics of butanol, its production and use as fuel ininternal combustion engines. In: Renewable and Sustainable Energy Reviews. Band 69, 2017, S. 642–651, doi:10.1016/j.rser.2016.11.213.

[Peralta-2] Pamela P. Peralta-Yahya, Fuzhong Zhang, Stephen B. del Cardayre & Jay D. Keasling: Microbial engineering for the production of advanced biofuels. In: Nature. Band 488, 2012, S. 320–328, doi:10.1038/nature11478.

[Karabektas-3] Murat Karabektas & Murat Hosoz: Performance and emission characteristics of a diesel engine using isobutanol–diesel fuel blends. In: Renewable Energy. Band 34, 2009, S. 1554–1559, doi:10.1016/j.renene.2008.11.003.

[NV-4] Dieser Stoff wurde in Bezug auf seine Gefährlichkeit entweder noch nicht eingestuft oder eine verlässliche und zitierfähige Quelle hierzu wurde noch nicht gefunden.

[Elfasakhany-5] Ashraf Elfasakhany: Investigations on performance and pollutant emissions of spark-ignition engines fueled with n-butanol–, isobutanol–, ethanol–, methanol–, and acetone–gasoline blends: A comparative study. In: Renewable and Sustainable Energy Reviews. Band 71, 2016, S. 404–413, doi:10.1016/j.rser.2016.12.070.

[Ndaba-6] B. Ndaba, I. Chyanzu & S. Marx: n-Butanol derived from biochemical and chemical routes: A review. In: Biotechnology Reports. Band 8, 2015, S. 1–9, doi:10.1016/j.btre.2015.08.001.

[7] Alexandra M. Goho: Better Bugs for Making Butanol – Engineered E. coli proves efficient at churning out the biofuel; Technology Review (engl.); 16. Januar 2008.

[Li-8] Yuqiang Li, Wei Tang, Yong Chen, Jiangwei Liu & Chia-fon F. Lee: Potential of Acetone-Butanol-Ethanol (ABE) as Biofuel. In: Fuel. Band 242, 2019, S. 673–686, doi:10.1016/j.fuel.2019.01.063.

[9] Kirstin Schilling: Gründung eines Spin-offs. In: Forschen – Patentieren – Verwerten. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 2014, ISBN 978-3-642-54993-9, S. 289–308.

[Dürre-10] Peter Dürre: Fermentative Butanol Production – Bulk Chemical and Biofuel. In: Annales by the New York Academy of Sciences. Band 1125, 2008, S. 353–362, doi:10.1196/annals.1419.009.

[Prak-11] Dianne J. Luning Prak, M. Hope Jones, & Paul Trulove: Physical and Chemical Analysis of Alcohol-to-Jet (ATJ) Fuel and Development of Surrogate Fuel Mixtures. In: Energy Fuels. Band 29, Nr. 6, 2015, S. 3760–3769, doi:10.1021/acs.energyfuels.5b00668."

[Köpke-12] Michael Köpke, Ryan E. Hill, Rasmus Ø, Jensen Dürre & Peter Dürre: Production of Biobutanol, from ABE to Syngas Fermentation. In: Xuefeng Lu (Hrsg.): Biofuels. Band 4. Caister Academic Press, 2014, ISBN 978-1-908230-45-4, S. 137–162.