Biorrefinerías de biobutanol

Fecha de publicación: 08/02/2016

Última actualización: 12/04/2017

Descripción general ^{1,2,3,4,5,6,7}

El butanol es un alcohol de cuatro carbonos con fórmula química C₄H₁₀O. Existen cuatro isómeros para la molécula: n-butanol, isobutanol, tert-butanol y sec-butanol. La diferencia en su estructura espacial tiene impacto sobre sus propiedades físicas y químicas.

Figura 1. Isómeros del butanol

Biobutanol es un término que se usa habitualmente para referirse al butanol producido a partir de biomasa. El n-butanol es el producto mayoritario de la fermentación ABE. El isobutanol puede ser producido por fermentación alcohólica. El sec-butanol no puede ser obtenido de manera directa mediante fermentación aunque sí puede ser generado a partir de 2,3-butanodiol procedente de procesos fermentativos. No se conoce ninguna ruta biológica para producir tert-butanol. Para los propósitos de esta entrada, el biobutanol representará al n-butanol, al isobutanol o a ambos, dependiendo del caso.

La formación de butanol por fermentación bacteriana anaerobia de sustratos azucarados ya fue observada por Pasteur en 1861 y, durante las primeras décadas del pasado siglo, el proceso fermentativo ABE fueron ampliamente utilizados para obtenerlo. Sin embargo, comenzaron a experimentar un declive en los años 60 y, desde entonces, la mayor parte de la producción de butanol a nivel mundial se basa en recursos fósiles. Problemas relacionados con los costes, relativamente bajos rendimientos e infecciones, entre otras causas, provocaron que la fermentación no pudiese competir a escala comercial.

Actualmente, hay un creciente interés en los procesos basados en la biomasa para generar esta versátil molécula plataforma. Por un lado, representa una alternativa atractiva a los biocombustibles convencionales. De hecho, el biobutanol celulósico es considerado por muchos expertos de la industria del petróleo como el biocombustible del futuro. Por otro, es un bloque químico modular con un gran abanico de aplicaciones en diferentes mercados.

Tecnologías de proceso y materias primas ^{1,2,8,9,10,11,12,13,14}

Como ya fue mencionado, el biobutanol era obtenido de manera tradicional mediante el proceso ABE que produce acetona, n-butanol y etanol a partir de carbohidratos como el almidón y la glucosa usando cepas de bacteria de la clase Clostidria. En la actualidad, varios de los actores involucrados en la producción de biobutanol están desarrollando modificaciones del proceso ABE original. Por ejemplo, trabajando con cepas Clostridium no modificadas genéticamente que favorecen de manera natural la producción de n-butanol frente a la acetona y al etanol (Optinol), enfocándose en la ingeniería metabólica cepas Clostridium para optimizar el rendimiento de n-butanol (Green Biologics) o incluso usando péptidos autoinductores para controlar la producción de n-butanol (Butrolix).

Otras empresas han creado sus propias levaduras patentadas para convertir azúcares fermentables en isobutanol a través de biología sintética. La tecnología patentada de Gevo (GIFT®) emplea Escherichia coli modificada genéticamente mientras que la de Butamax está basada en Pseudomonas.

Otros procesos de producción que están siendo desarrollados para obtener biobutanol:

• Producción fotobiológica a partir de dióxido de carbono y agua empleado cianobacterias. Phytonix posee la licencia a nivel mundial y los derechos de sublicenciar esta tecnología.
• Condensación catalítica de bioetanol para producir biobutanol a partir de la reacción de Guerbet. Abengoa ha desarrollado y patentado un catalizador que permite la fabricación de biobutanol mediante este método.

El biobutanol puede ser producido a partir de materias primas ricas en azúcar o almidón (maíz, azúcar de caña, remolacha azucarera,…). Sin embargo, las materias primas lignocelulósicas están captando la atención de muchos centros de investigación y empresas como materia prima alternativa para la producción de bioetanol debido a sus beneficios. En este sentido, el consorcio del proyecto ButaNexT (EU Horizon 2020 Research and Innovation Programme under grant agreement n° 640462) está trabajando en maximizar el rendimiento de la conversión de biobutanol a partir de materias primas lignocelulósicas seleccionadas como paja de trigo, miscanthus y la fracción orgánica de los RSU.

Aplicaciones ^2,3,5,7,14

Biocombustibles avanzados

El bioetanol convencional presenta algunas limitaciones relacionadas con su sostenibilidad, altos costes de producción, comportamiento en servicio e incompatibilidad con las infraestructuras existentes. El biobutanol, basado en materias primas sostenibles y procesos de producción altamente eficientes, posee el potencial para superar esas limitaciones. Las siguientes son algunas de las ventajas más importantes que el biobutanol presenta sobre el bioetanol:

• Capacidad para ser usado directamente en los motores de combustión interna actuales sin necesidad de modificaciones.
• Puede ser mezclado con gasolina en mayores proporciones.
• Puede ser transportado en las infraestructuras existentes.
• Contenido en energía más similar al de la gasolina.

Además, si el biobutanol se produce a partir de materias primas sostenibles, las emisiones de gases invernadero sin afectar de manera adversa el medio ambiente y las cadenas alimentarias. La conversión de estas materias primas todavía representa grandes desafíos tecnológicos. Las técnicas de fermentación actuales presentan bajos rendimiento de butanol y la destilación posterior es un paso muy intensivo en términos energéticos. A pesar de estas barreras, el biobutanol tiene el potencial para reemplazar a la gasolina y al diésel.

Bloques químicos modulares sostenibles

Aunque los isómeros del butanol difieren en propiedades, sus aplicaciones son similares en algunos aspectos. A continuación, un resumen de los principales usos del n-butanol y del isobutanol.

n-butanol

• Compuesto intermedio para combustible de aviación y biolubricantes.
• Precursor de monómeros, emulsiones poliméricas, ésteres, éteres glicólicos, plastificantes y aminas.
• Disolvente para pinturas y barnices.
• Agente extractor para antibióticos, hormonas y vitaminas.
• Ingrediente de perfumes y cosméticos.
• Desengrasantes y limpiadores.

Isobutanol

• Intermedio en la producción de combustible de aviación.
• Componente clave en precursores de polímeros.
• Disolvente de pinturas.
• Ingrediente de tintas.
• Agente de flotación.
• Aditivo para agentes de limpieza y pulido en aplicaciones de automoción.

Figura 2. Diagrama de bloques del concepto de biorrefinería con isobutanol como molécula plataforma desarrollado para Rotterdam por el IBPR

Biorrefinerías a escala comercial y plantas piloto ^{15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25}

De acuerdo a las fuentes consultadas y a la información disponible online, varias empresas han estado trabajando en la producción de biobutanol (a diferentes niveles) en los últimos años pero muchas de ellas han sido absorbidas (Butylfuel adquirida por Green Biologics, Butalco adquirida por Lesaffre, Coskata adquirida por Elekeiroz, Tetravitae Biosciences adquirida por Eastman Chemicals), abandonado sus actividades relacionadas con esta molécula (Cathay Industrial Biotech, METabolic Explorer, W2 Energy, ZeaChem) o incluso desaparecido (Cobalt Technologies, Planktonix, Syntec Biofuel).

Seguidamente, un resumen de las principales características de las instalaciones a nivel comercial y plantas piloto que están en operación o en construcción en el momento de escribir estas líneas.

Instalaciones a escala comercial – En operación
Propietario	Ubicación	Materias primas	Tecnología	Capacidad	Estado
Gevo	Luverne (MN, USA)	Maíz	Adición de capacidad de biobutanol a una planta existente de bioetanol (GIFT®). Microorganismo: Escherichia coli modificada genéticamente.	De 750.000 a 1 millón de galones de isobutanol en 2016. Producción simultánea de 15-17 millones de galones de etanol.	Gevo adquirió la instalación en septiembre de 2010 y posteriormente fue readaptada con la tecnología GIFT® de Gevo.
Green Biologics	Little Falls (MN, USA)	Maíz	Planta de bioetanol completamente readaptada para producir n-butanol con la tecnología de Green Biologics. Fementación ABE: biocatilizadores microbianos Clostridium.	-	Las instalaciones existentes fueron adquiridas por GBL en diciembre de 2014 y renombradas como Central MN Renewables (CMR). La planta de etanol que tenía una capacidad de 21 millones de galones (aproximadamente, 80 millones de litros) ha sido readaptada con la tecnología patentada de fermentación avanzada de Green Biologics para producir biobutanol y acetona. Ahora, la instalación está en funcionamiento y se espera poder llegar a la plena capacidad programada en los próximos 12-18 meses (diciembre 2016, ver entrada).

Instalaciones a escala comercial – En construcción
Propietario	Ubicación	Materias primas	Tecnología	Capacidad	Estado
Highwater Ethanol	Lamberton (MN, USA)	Maíz	Planta de bioetanol readaptada para producir isobutanol con la tecnología de Butamax.	-	Butamax anunciaba en agosto de 2014 que la construcción de la Fase 1 de la adaptación de la planta de Highwater Ethanol en Lamberton había sido completada. La Fase 1 incluye la implementación de una tecnología patentada de Butamax que retira el aceite de maíz y prepara la pulpa de maíz para ser fermentada. La fecha de puesta en marcha de la planta completamente readaptada es desconocida. Actualmente, la instalación está produciendo etanol.
Porta	Argentina (localizaciones específicas desconocidas)	Maíz	Gevo Integrated Fermentation Tecnología (GIFT®). Microorganismo: Escherichia coli modificada genéticamente.	Hasta 5 millones de galones de isobutanol al año	Gevo anunciaba en 2 de febrero de 2016 que había firmado un acuerdo de licencia y de desarrollo conjunto de desarrollo con Porta para construir varias plantas de isobutanol en Argentina. Se espera que la prima planta comience a producir en 2017.
Butamax	Scandia (Kansas, USA)	Maíz	Planta de bioetanol readaptada para producir isobutanol con la tecnología de Butamax.	-	Butamax anunciaba en abril de 2017 la adquisición de Nesika Energy LLC y su planta de etanol. La empresa tiene intención de dotar a esta planta de capacidad para producir isobutanol y empezar inmediatamente la ingeniería de diseño. Véase entrada.

Plantas de demostración
Propietario	Ubicación	Materias primas	Estado
Butamax	Hull (UK)	-	Planta de demostración. En operación desde 2010.
GS Caltex	Yeosu industrial complex en South Cholla Province	400 ton/y	Planta de demostración. Los trabajos de construcción comenzaron en septiembre de 2016. Se espera que la instalación esté terminada para la segunda mitad del 2017.
Celtic Renewables	Grangemouth (UK)	-	Planta de demostración.   Biobutanol a partir de subproductos de la industria del whisky. Puesta en marcha esperada: diciembre 2018.
ButaNexT project (Horizon 2020). Consorcio: Green Biologics (leader), Técnicas Reunidas, CENER, Zabala Innovation Consulting, Universidad de Castilla-La Mancha, Dyadic Nederland BV, C-TECH Innovation Limited, E4tech, VITO and Greenovate! Europe.	-	-	Planta piloto. Biobutanol a partir de biomasa lignocelulósica (paja de trigo, miscanthus y fibras orgánicas de RSU). Puesta en marcha esperada: desconocida.

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REFERENCIAS

1 European Biofuels Tecnología Platform – Biobutanol. Available online: www.biofuelstp.eu/butanol.html (accessed on 29th January 2016).

2 A. Morone, R.A. Pandey: “Lignocellulosic biobutanol production: Gridlocks and potential remedies”. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 37 (2014), 21–35.

3 F. Lameiras: “Butanol production in Lactic acid bacteria”. Master of Science Thesis in BioTecnología, Department of Chemical and Biological Engineering, Chalmers University of Tecnología, Gothenburg (Sweden), 2012.

4 Biobased Butanol Info – Butanol isomers. Available online: www.biobutanol.com/Butanol-Isomers-isobutanol,-n-butanol,-tert-butanol.html (accessed on 29th January 2016).

5 C. Machado: “Technical characteristics and current status of butanol production and use as biofuel”. V Seminario Latinoamericano y del Caribe de Biocombustibles, Santiago (Chile), August 17 – 18, 2010. Available online: www.olade.org/wp-content/uploads/2015/11/S5-B2010_C_Machado_Embrapa_Brasil.pdf (accessed on 5th February 2016). 

6 Biobased Butanol Info – History. Available online: www.biobutanol.com/Biobutanol-History.html (accessed on 29th January 2016).

7 Gevo – Isobutanol white paper. Available online: www.biofuelstp.eu/downloads/wp-isob-gevo.pdf (accessed on 29th January 2016).

8 Optinol – Tecnología. Available online: www.optinol.com/Tecnología.php (accessed on 3rd February 2016).

9 Green Biologics - Clostridium microbial biocatalysts. Available online: www.greenbiologics.com/clostridium.php (accessed on 29th January 2016).

10 Butrolix – Tecnología. Available online: butrolix.com/ (accessed on 4th February 2016).

11 Gevo – Tecnología. Available online: www.gevo.com/about/company-overview/Tecnología/ (accessed on 29th January 2016).

12 Phytonix - Sustainable Chemistry Powered by the Sun™. Available online: phytonix.com/ (accessed on 4th February 2016).

13 Abengoa Research – Bulletin February 2013. Available online: www.abengoa.es/htmlsites/boletines/en/febrero2013/tecnologia/ (accessed on 29th January 2016).

14 J.A. Posada Duque, H. Zirkzee, E.W. van Hellemond, A. Lopez-Contreras, J.W. van Hal, A.J.J. Straathof: "A Biorefinery in Rotterdam with Isobutanol as Platform?". May 2014, ECN-V—14-004.

15 K.S. Lokare: “To Be, or Not to Be…Butanol and The Case of a Global Sustainable Society”. Available online: www.biofuelsdigest.com/bdigest/2015/10/14/to-be-or-not-to-bebutanol-and-the-case-of-a-global-sustainable-society/ (accessed on 2nd February 2016).

16 S. Nejame, J. Evangelow: RIP Cobalt Technologies or…How Commercializing Butanol Tecnología is Like Riding the Tour de France. Available online: www.biofuelsdigest.com/bdigest/2015/06/24/rip-cobalt-technologies-orhow-commercializing-butanol-Tecnología-is-like-riding-the-tour-de-france/ (accessed on 2nd February 2016).

17 Biobased Butanol Info – The players. Available online: www.biobutanol.com/Biobutanol-Producers-Gevo,-Butamax,-Cobalt,.html (accessed on 1st February 2016)

18 Gevo – Isobutanol Plant: Luverne, Minn. Available online: www.gevo.com/about/company-overview/isobutanol-plant-luverne-minn/ (accessed on 30th January 2016).

19 Green Biologics Press Release: Green Biologics Starts Construction in Little Falls, MN. Available online: www.greenbiologics.com/pdfs/pr-02122015.pdf (accessed on 31th January 2016).

20 Butamax Press release - Butamax and Highwater Ethanol Complete Phase 1 of Biobutanol Retrofit Project Including Installation of Novel Corn Oil Separation Tecnología. Available online: www.butamax.com/Portals/0/pdf/2_ButamaxandHighwaterEthanolCompletePhase1ofBiobutanolRetrofitProject.pdf (accessed on 31th January 2016).

21 Butamax - Butamax™ Demonstration Facility. Available online: www.butamax.com/biofuel-Tecnología.aspx (accessed on 31th January 2016).

22 GS Caltex Gets Ready to Produce Biobutanol from Early Next Year. Available online: www.newsworld.co.kr/detail.htm?no=2168 (accessed on 4th February 2016).

23 Celtic Renewables Press Release – Celtic Renewables lands £11million grant after winning DfT competition. Available online: http://www.celtic-renewables.com/news/latest-news/celtic-renewables-lands-11million-grant-after-winning-dft-competition (accessed on 3rd February 2016).

24 ButaNexT – Project. Available online: butanext.eu/en/project (accessed on 4th February 2016).

25 Gevo Press Release – Gevo Signs Licensing and Joint Development Agreements With Porta. Available online: ir.gevo.com/phoenix.zhtml?c=238618&p=RssLanding&cat=news&id=2134773  (accessed on 5th February 2016).

26 Butamax Press Release – BP and DuPont Joint Venture, Butamax®, Announces Next Step inCommercialization of Bio-Isobutanol with Acquisition of Ethanol Facility in Kansas (accesed on 11th April 2017).
27 News - GS Caltex to Produce World’s First Biomass Based Bio-butanol. Business Korea (accesed on 11th April 2017).