Production d'éthanol

Qu'est-ce que l'éthanol ?

L'éthanol (_C2H5OH; formule structurelle _CH3CH2OH) est une molécule organique dotée du groupe fonctionnel hydroxyle (-OH). Il appartient à la série des homologues de l'alcool. Plus précisément, l'éthanol est un alcool primaire à deux atomes de carbone, contenant un seul groupe hydroxyle. Sa structure est illustrée ci-dessous.

Fig. 1 : La structure de l'éthanol, avec son groupe hydroxyle mis en évidence.StudySmarter Originals

L'éthanol a de nombreuses utilisations dans notre vie quotidienne. Nous ne le trouvons pas seulement dans la grande variété de boissons alcoolisées disponibles dans les magasins, les bars et les restaurants, mais aussi dans les désinfectants, les solvants et en tant qu'additif pour le carburant. Crois-le ou non, l'éthanol est également utilisé comme antidote contre l'empoisonnement au méthanol, très dangereux ! Par conséquent, il est important de comprendre la production d'éthanol. Examinons maintenant les deux principaux modes de production industrielle de l'éthanol.

Processus de production de l'éthanol

Il y a deux façons principales de produire de l'éthanol :

• La fermentation du glucose.
• L'hydratation de l'éthène.

Ces deux procédés présentent quelques différences essentielles en termes de réactifs, de conditions et de sous-produits. Ils présentent également tous deux des avantages et des inconvénients. Nous commencerons par un aperçu des deux méthodes avant de les comparer plus en détail.

Production d'éthanol : Fermentation du glucose

L'éthanol peut être produit par la fermentation du glucose. Dans ce processus, des souches spécifiques de levure convertissent le glucose (_C6H12O6) des hydrates de carbone végétaux en éthanol à l'intérieur d'un fermenteur dont les conditions environnementales sont définies. La plupart des boissons alcoolisées fabriquées dans les brasseries subissent ce processus de fermentation.

Processus de fermentation

Leshydrates de carbone végétaux, les matières premières de la production d'éthanol, proviennent généralement de cultures telles que la canne à sucre ou la betterave sucrière. La levure, qui peut être une espèce comme Saccharomyces cerevisiae, contient des enzymes responsables de la conversion du glucose des hydrates de carbone végétaux en éthanol par respiration anaérobie. La réaction produit également du dioxyde de carbone (_CO2).

L'éthanol est toxique pour la levure à des concentrations élevées. Par conséquent, la levure meurt lorsque la solution atteint des niveaux d'environ 15 % d'éthanol. Cela signifie que la production d'éthanol par fermentation est un processus discontinu. Grâce au point d'ébullition de l'éthanol, qui est inférieur à celui de l'eau, l'éthanol peut ensuite être séparé du reste de la solution pardistillation fractionnée . Tu dois aussi noter que la fermentation a une vitesse de réaction lente, surtout si on la compare à l'hydratation de l'éthène (que nous examinerons dans une seconde).

Équation de la fermentation

L'équation chimique de la fermentation est indiquée ci-dessous, à côté de l'équation motrice.

$$C_{6}H_{12}O_{6}\rightarrow 2C_{2}H_{5}OH+2CO_{2}$$

Glucose \NÉthanol + dioxyde de carbone\N$$.

Matières premières et sous-produits de la fermentation

Nous avons mentionné que la fermentation nécessite des hydrates de carbone végétaux. Ceux-ci proviennent souvent de cultures telles que la betterave sucrière ou le maïs. Les cultures sont rapides et faciles à cultiver, et souvent, seule la partie rejetée de la plante (comme la tige ou l'enveloppe) est utilisée pour la fermentation, laissant la partie comestible pour la consommation humaine ou animale.

Tu peux voir dans l'équation chimique que la fermentation libère du dioxyde de carbone (_CO2), un gaz à effet de serre. Cela peut sembler néfaste d'un point de vue environnemental. Cependant, la fermentation elle-même est techniquement neutre en carbone - tout le carbone libéré a été absorbé par la photosynthèse pendant la durée de vie de la culture, et nous étayerons cette affirmation par des équations chimiques plus loin dans l'article.

La fermentation ne décompose pas toute la matière végétale et il reste donc un sous-produit résiduel. Ces résidus constituent un aliment pour le bétail plus que convenable.

Conditions de fermentation

Une fermentation efficace nécessite certaines conditions. Celles-ci sont présentées ci-dessous avec les raisons qui les sous-tendent.

Production d'éthanol : Hydratation de l'éthène

Maintenant que nous avons fini d'étudier la chimie de la fermentation, voyons comment nous pouvons produire de l'éthanol via l'hydratation de l'éthène. Il s'agit d'une autre méthode de production d'alcool utilisée dans l'industrie.

Processus d'hydratation

Le terme hydratation te donne un indice sur cette façon de produire de l'éthanol. Si tu imagines une réaction où l'eau est impliquée, tu es sur la bonne voie !

L'hydratation est un exemple de réaction d'addition électrophile. Il s'agit essentiellement d'ajouter de la vapeur à l'éthène en présence d'un catalyseur à base d'acide phosphorique (V), ce qui donne de l'éthanol. L'éthène (_CH2CH2) est l'alcène le plus simple, un hydrocarbure insaturé avec une double liaison C=C. L'ajout de vapeur à l'éthène transforme cet alcène en une molécule saturée et ajoute le groupe hydroxyle (-OH) à l'un de ses atomes de carbone. La réaction est réversible, mais nous pouvons modifier les conditions pour augmenter considérablement le rendement.

Fig. 2 : De l'éthène à l'éthanol. Les deux molécules sont représentées avec leurs groupes fonctionnels mis en évidence.StudySmarter Originals

Nous séparons l'éthanol des gaz qui n'ont pas réagi en refroidissant le mélange. Bien qu'une petite quantité de vapeur se condense également, l'éthanol recueilli est essentiellement pur. La distillation fractionnée élimine les impuretés de la vapeur. Les gaz qui n'ont pas réagi sont continuellement recyclés sur le catalyseur pour atteindre un taux de conversion global d'environ 95 %. Tu dois également noter que ce processus a une vitesse de réaction rapide.

Équation d'hydratation

Voici l'équation chimique de l'hydratation de l'éthène :

$$C_{2}H_{4(g)} + H_{2}O_{(g)} \rightleftharpoons C_{2}H_{5}OH_{(g)} $$ ΔHº = -45 kJ ^mol-1.

Note l'utilisation de la flèche d'équilibre(⇌). Elle nous montre que cette réaction est réversible et existe dans un état d'équilibre dynamique.

Matières premières et sous-produits de l'hydratation

L'équation chimique ci-dessus nous indique que l'hydratation ne produit aucun sous-produit. Cela peut faire penser à un processus respectueux de l'environnement, mais nous devons considérer la situation dans son ensemble. L'hydratation nécessite de l'éthène, qui est produit par le craquage des hydrocarbures contenus dans le pétrole brut. Le pétrole brut n'est pas renouvelable - c'est une ressource finie, ce qui signifie qu'elle ne peut pas être remplacée naturellement au rythme où nous l'utilisons. Par conséquent, la production d'éthanol par hydratation de l'éthène n'est pas durable.

Conditions d'hydratation

L'hydratation de l'éthène étant réversible, les conditions de la réaction sont essentielles lorsqu'il s'agit de déterminer le rendement. Le tableau ci-dessous résume les conditions utilisées pour l'hydratation de l'éthène et le raisonnement qui les sous-tend.

Comparaison des méthodes de production d'éthanol

Décider de la meilleure façon de produire de l'éthanol n'est pas une tâche facile. Les deux méthodes présentent des avantages et des inconvénients qui doivent tous être pris en considération. Le tableau ci-dessous résume les différences entre la production d'éthanol par la fermentation du glucose et l'hydratation de l'éthène.

Malgré l'amélioration de la pureté du produit et la rapidité de réaction de l'hydratation, la fermentation est plus largement utilisée pour la production d'éthanol. Cela s'explique par ses coûts moins élevés et son impact sur l'environnement.

Production d'éthanol : Utiliser l'éthanol comme biocarburant

Depuis une cinquantaine d'années, l'éthanol s'est imposé comme une alternative pratique à l'essence ou au diesel. Il brûle comme n'importe quel autre carburant et constitue un moyen utile d'alimenter nos véhicules. Par exemple, l'essence E10 (contenant jusqu'à 10 % d'éthanol) est le carburant standard au Royaume-Uni, tandis qu'en France, tu trouveras des stations-service E85. Le Brésil possède même une vaste flotte de véhicules fonctionnant à 100 % à l'éthanol !

L'éthanol ainsi utilisé est produit par fermentation et constitue donc un type de biocarburant.

Comme tous les biocarburants, le bioéthanol est dérivé de ressources renouvelables. En revanche, l'essence et le diesel proviennent du pétrole brut, dont nous avons déjà appris qu'il n'est pas renouvelable. D'autres sources de carburant populaires, comme le charbon et le gaz, ne sont pas non plus renouvelables - ce sont des types de combustibles fossiles. Le caractère renouvelable des biocarburants leur donne un avantage sur le charbon, le gaz, le diesel et l'essence, et c'est en partie la raison pour laquelle leur popularité augmente si rapidement.

Cependant, l'utilisation des biocarburants, y compris le bioéthanol, présente des inconvénients. Nous allons maintenant examiner les avantages et les inconvénients de leur utilisation.

Avantages des biocarburants

Lesbiocarburantsparviennent à surpasser les combustibles fossiles traditionnels ou les dérivés du pétrole brut à bien des égards.En voici quelques-uns :

• Les biocarburants sont renouvelables. Ils sont fabriqués à partir de matières végétales ou animales à croissance rapide - souvent à partir de cultures qui peuvent être plantées et récoltées en moins d'un an. D'autres cultures peuvent ensuite être replantées dans la même zone les années suivantes. En revanche, le pétrole brut et les combustibles fossiles mettent des millénaires à se former et ne sont donc pas renouvelables.
• Les biocarburants ont une empreinte carbone plus faible que les carburants traditionnels. Tous les combustibles à base de carbone (y compris les biocarburants) libèrent du dioxyde de carbone (_CO2) lorsqu'ils sont brûlés. Cependant, les biocarburants sont théoriquement neutres en carbone car tout le carbone qu'ils libèrent a été absorbé dans l'atmosphère pendant la durée de vie de la plante d'origine.
• Les biocarburants sont bon marché, faciles à traiter et peuvent être produits localement. Pour s'approvisionner en biocarburants, il n'est pas nécessaire de forer des mines en eaux profondes ou d'abattre des forêts pour accéder à des gisements de charbon.
• Les biocarburants peuvent être fabriqués à partir de déchets, tels que les tiges ou les enveloppes de cultures, qui seraient autrement jetés.
• Les biocarburants rejettent moins de polluants nocifs supplémentaires, tels que le dioxyde de soufre et les oxydes d'azote, qui sont associés à la combustion des carburants traditionnels.

Inconvénients des biocarburants

Pour tes examens, on pourrait attendre de toi que tu argumentes à la fois pour et contre l'utilisation des biocarburants. Il est au moins important de comprendre pourquoi certaines personnes ne sont pas convaincues par leur utilisation. Voici quelques-uns des inconvénients des biocarburants.

• Bien que les biocarburants soient neutres en carbone, il faut de l'énergie pour les récolter, les transformer et les transporter. Cette énergie provient souvent de sources non renouvelables et libère donc du dioxyde de carbone dans l'atmosphère. Cependant, on pourrait dire la même chose des carburants traditionnels - ils nécessitent eux aussi un traitement, une manipulation et un transport spécifiques.
• La culture des matières végétales utilisées pour produire des biocarburants nécessite une grande quantité d'eau.
• La culture des matières végétales pour les biocarburants occupe également beaucoup de terrain. On fait valoir que ces terres pourraient être utilisées plus efficacement pour cultiver des produits destinés à la consommation humaine ou animale, et que la création d'espace pour les plantations de biocarburants est une cause de déforestation et de perte d'habitat.
• Les incitations gouvernementales à produire des biocarburants ont entraîné une diminution de l'agriculture dans certains pays, ce qui s'est traduit par des pénuries de nourriture et une augmentation des factures d'épicerie.