- Cet article traite de la production de l'éthanol.
- Nous allons d'abord définir l'éthanol avant de découvrir les deux façons dont il est produit : la fermentation du glucose et l'hydratation de l'éthène.
- Il s'agira d'examiner les conditions, l'équation, la méthode et les sous-produits des réactions. Nous comparerons également leurs avantages et leurs inconvénients.
- Nous terminerons par l'utilisation de l'éthanol comme biocarburant.
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).
Larespiration anaérobie est un processus au cours duquel le glucose est décomposé pour produire de l'énergie(ATP) en l'absence d'oxygène.
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.
| Conditions | Raison d'être |
| Latempérature est maintenue à 35 oC | Maximise le rendement du produit. Une température plus basse diminue le taux de réaction tandis qu'une température plus élevée dénature les enzymes impliquées dans la respiration anaérobie. |
| L'oxygène est exclu du réacteur (conditions anaérobies). | Empêche l'oxydation de l'éthanol en acide éthanoïque. |
| Levures | Fournissent des enzymes pour catalyser la réaction. |
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.
Fais attention à la formulation des questions d'examen. Par exemple, nous avons utilisé des formules moléculaires dans l'équation ci-dessus, mais une question pourrait demander des formules structurelles . Voici l'équation, réécrite à l'aide des formules structurelles :
CH2CH2(g) +H2O(g) ⇌ CH3CH2OH(g)
Mécanisme d'hydratation
Certains jurys d'examen exigent que tu comprennes le mécanisme d'hydratation de l'éthène. Si c'est le cas du tien, ne t'inquiète pas - nous avons tout prévu.
Comme nous l'avons mentionné, l'hydratation de l'éthène est un exemple de réaction d'addition électrophile. Son mécanisme est similaire à celui de nombreux autres processus d'addition électrophile dont nous parlons dans l'article Réactions des alcènes, nous te recommandons donc de les consulter en premier si tu n'es pas familier avec ce type de réaction.
Voici comment cela fonctionne.
- Au cours de la première étape, l'un des atomes d'hydrogène de l'acide phosphorique est attiré par la densité électronique élevée de la double liaison C=C de l'éthène. L'hydrogène s'ajoute à l'éthène, formant un carbocation positif et union dihydrogènephosphate(V) négatif (H2PO4-).
- Le carbocation est attaqué par une paire d'électrons solitaire provenant d'une molécule d'eau. Cela forme un ion intermédiaire avec un groupe positif -OH2+.
- L'ion dihydrogènephosphate(V) négatif formé lors de la première étape attaque l'un des atomes d'hydrogène du groupe -OH2+ de l'ion intermédiaire. L'hydrogène s'ajoute à l'ion dihydrogènephosphate, régénérant le catalyseur et nous laissant avec de l'éthanol (C2H5OH).
Tu peux simplifier le mécanisme en supprimant l'ion dihydrogènephosphate négatif, comme indiqué ci-dessous. À la place, nous utilisons simplement H+ pour représenter le catalyseur acide.
Fig. 3 : Le mécanisme simplifié de l'hydratation de l'éthène.StudySmarter Originals
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.
| Condition | Raison |
| Température de 300 °C | La réaction en avant est exothermique. Cela signifie qu'une température plus basse favorise la réaction en avant. Cependant, une température trop basse ralentit la vitesse de la réaction, c'est pourquoi on utilise une température de compromis. |
| Pression de 60 à 70 atm | La réaction en avant produit moins de moles de gaz. Cela signifie qu'une pression plus élevée favorise la réaction en avant. Cependant, une pression trop élevée est coûteuse à maintenir et entraîne souvent la polymérisation de l'éthène en poly(éthène). C'est pourquoi on utilise une pression de compromis. |
| Catalyseur à base d'acide phosphorique | Le catalyseur accélère la vitesse de la réaction, ce qui augmente le rendement. |
| Excès d'éthène | Un excès de réactifs favorise la réaction en avant. Cependant, l'utilisation d'un excès de vapeur dilue le catalyseur et annule son effet, c'est pourquoi on choisit plutôt l'éthène. |
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.
| Fermentation | Hydratation | |
| Matières premières | Glucides végétaux | Éthène, vapeur |
| Catalyseur | Enzymes de levure | Acide phosphorique |
| Conditions d'utilisation | Basse température (35 °C), anaérobie | Température relativement élevée (300 °C), haute pression (60-70 atm) |
| Vitesse de réaction | Lente | Rapide |
| Traitement continu/par lots | Par lots | En continu |
| Durabilité des matières premières | Renouvelables | Non renouvelables |
| Pureté du produit final | Impur | Essentiellement pur |
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.
Lesbiocarburants sont des carburants renouvelables dérivés en peu de temps de la biomasse, ce qui signifie simplement toute matière organique vivante.
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.
Prenons le bioéthanol comme exemple de la neutralité carbone des biocarburants. Nous voulons prouver que le nombre de moles de dioxyde de carbone absorbées au cours de son cycle de vie - de la formation à la combustion - est le même que le nombre de moles de dioxyde de carbone rejetées.
Nous savons que le bioéthanol est fabriqué par fermentation - en particulier, la fermentation du glucose à partir des hydrates de carbone des plantes. Le glucose (C6H12O6) est fabriqué par les plantes au cours du processus de photosynthèse, qui transforme le dioxyde de carbone (CO2) et l'eau (H2O) en glucose et en oxygène (O2). Pour produire une mole de glucose, il faut six moles de dioxyde de carbone. Voici l'équation :
$$6CO_{2} + 6H_{2}O \rightarrow C_{6}H_{12}O_{6} + 6O_{2}$$
Tu aimes les plantes ? Dirige-toi vers Photosynthèse pour en savoir plus sur ce sujet.
Le glucose produit lors de la photosynthèse est ensuite transformé en éthanol par fermentation. Nous avons appris l'équation plus tôt :
$$C_{6}H_{12}O_{6} \arrow 2C_{2}H_{5}OH + 2CO_{2} $$.
Cela produit deux moles de dioxyde de carbone.
Lorsque nous brûlons de l'éthanol comme carburant, nous produisons de l'eau et davantage de dioxyde de carbone :
$$C_{2}H_{5}OH + 2O_{2} \Nd'eau 2CO_{2} + 3H_{2}O$$.
Mais note que la fermentation d'une mole de glucose produit deux moles d'éthanol. Dans l'ensemble, la combustion de l'éthanol produit à partir d'une mole de glucose génère quatre moles de dioxyde de carbone:
$$2C_{2}H_{5}OH + 4O_{2} \rightarrow 4CO_{2} + 6H_{2}O$$.
Additionnons les moles de dioxyde de carbone absorbées pendant la photosynthèse, et celles libérées pendant la production et la combustion de l'éthanol.
- Nous avons absorbé six moles de dioxyde de carbone pendant la photosynthèse.
- Nous avons rejeté deux moles de dioxyde de carbone lors de la production d'éthanol par fermentation.
- Nous avons libéré quatre moles de dioxyde de carbone lors de la combustion de l'éthanol.
Globalement, le nombre de moles de dioxyde de carbone absorbées au cours du cycle de vie du bioéthanol est le même que le nombre de moles de dioxyde de carbone rejetées. Le bioéthanol, comme tous les biocarburants, est neutre en carbone.
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.
Les biocarburants - bons ou mauvais ?
Il est facile de regarder la liste des inconvénients des biocarburants que nous avons partagée ci-dessus et de les considérer instantanément comme un moyen bien intentionné mais inefficace de réduire les émissions de dioxyde de carbone. Cependant, il est important de mettre les choses en perspective.
Par exemple, l'utilisation des terres pour les biocarburants est un problème important car nous avons du mal à trouver de la place pour toutes les cultures nécessaires pour nourrir notre population croissante. Mais il existe d'autres moyens d'utiliser les terres plus efficacement. 77 % de toutes les terres agricoles de la planète sont utilisées pour élever du bétail ou cultiver des plantes pour les nourrir, alors que les produits d'origine animale ne représentent que 18 % de nos calories. Si nous adoptions une alimentation plus végétale, nous pourrions facilement nourrir une population plus importante. L'American Journal of Clinical Nutrition estime que le régime d'un mangeur de viande nécessite 17 fois plus de terres que celui d'un végétarien - penses-y si tu veux réduire ton empreinte écologique !
De plus, les biocarburants n'ont pas besoin de remplacer les cultures destinées à la consommation humaine. Les plantes destinées à devenir des biocarburants peuvent être cultivées sur des terres autrement impropres à la culture. On peut aussi fabriquer des biocarburants à partir de déchets. Par exemple, le biogaz est un mélange de gaz, dont le méthane, produit par la digestion anaérobie du fumier et des eaux usées. Il s'agit de matériaux qui seraient autrement jetés - les transformer en carburant peut être un excellent moyen d'économiser les ressources.
Production d'éthanol - Points clés
L'éthanol est un alcool dont la formule chimique est C2H5OH. On le trouve dans les solvants, les carburants et les boissons alcoolisées.
L'éthanol est principalement produit de deux façons : la fermentation du glucose et l'hydratation de l'éthène.
Lors de la fermentation, les enzymes de la levure transforment le glucose des hydrates de carbone végétaux en éthanol et en dioxyde de carbone dans des conditions anaérobies.
Lors de l'hydratation, l'éthène réagit avec de la vapeur d'eau et un catalyseur à base d'acide phosphorique à des températures et des pressions élevées pour former de l'éthanol.
La fermentation et l'hydratation présentent toutes deux des avantages et des inconvénients. Lors de la production d'éthanol, il faut tenir compte de facteurs tels que la vitesse de réaction, le caractère renouvelable des matières premières et la pureté du produit final.
L'éthanol produit par fermentation est un exemple de biocarburant: Un carburant dérivé de la matière vivante.
Lesavantages des biocarburants sont leur durabilité, leur neutralité carbone, leur faible coût et l'absence de polluants supplémentaires.
Lesinconvénients des biocarburants sont leurs besoins en matière de transformation et de transport, l'utilisation de l'eau et de la terre, et leur impact négatif sur le système alimentaire.
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