18-03-2017
Synthèse et purification de l'éthanol (alcool)
Ethanol = alcool = CH3CH2OH
I/ Synthèse de l’éthanol : de 0 à 25% max
A- Synthèse biologique : de 0 à 16% d’éthanol
La fermentation alcoolique est connue depuis la civilisation babylonienne (3 000 ans avant JC). Les levures (par exemple Saccharomyces cerevisiae) fabriquent l’alcool à partir de sucres contenus dans les fruits (raisins…) ou l’hydrolyse de l’amidon présent dans les grains (orge, malt…). La fermentation a lieu grâce à l’action d’enzymes et en atmosphère non oxygénée.
Réaction bilan de la fermentation alcoolique à partir de glucose :
C6H12O6 --------> 2 CH3CH2OH + 2 CO2
L’alcool produit est un antiseptique, même pour les levures qui l'ont produit. Au-delà de 14% à 16% d’alcool (en volume) dans le milieu de culture, il agit comme un poison pour les levures. La fermentation s’arrête et il faut changer de technique pour faire augmenter le degré alcoolique.
B- Synthèse chimique : de 0 à 25% d’éthanol
Ce procédé développé dans les années 1970 a complètement supplanté les autres méthodes de production. L’éthanol est produit grâce à la pétrochimie, en utilisant l'hydratation par catalyse acide de l'éthylène, suivant la réaction :
CH2=CH2 + H2O <--------> CH3CH2OH
Le catalyseur le plus communément utilisé est l'acide phosphorique, adsorbé sur un support poreux comme un gel de silice. Une augmentation de la température aide à déplacer l'équilibre vers la production d'éthanol, il est donc nécessaire d'utiliser le catalyseur à des hautes températures (250 à 300 °C) et sous haute pression de vapeur d'eau pour approcher l'équilibre rapidement. Le produit final est un mélange eau-éthanol contenant entre 10% et 25% d'éthanol.
II/ Purification par distillation : jusqu’à 95,6% max
Les différents procédés de synthèse de l'éthanol produisent des mélanges eau-éthanol. La distillation fractionnée permet de concentrer l'éthanol jusqu'à 95,6%. Elle est basée sur la plus grande évaporation de l’alcool par rapport à l’eau lorsqu’on chauffe le mélange.
Par exemple, un mélange à la concentration C1 (16% d’éthanol dans 84% d’eau) porté à ébullition donne une vapeur concentrée à C2 (par ex 30% d’éthanol dans 70% d’eau). Une fois condensée, la vapeur garde sa concentration C2 en éthanol. Il suffit de re-chauffer le mélange pour aboutir à la concentration C3 et ainsi de suite.
Mais une fois arrivé à 95,6% d’éthanol, la vapeur contient la même concentration (95,6%) que le mélange initial. On dit que le mélange est azéotropique. La distillation n’a plus aucun effet dans ce cas.
Le mélange eau-alcool obtenu par distillation fractionnée est aussi appelé alcool rectifié. L’alcool rectifié contient en général de 70% à 96 % d'éthanol.
III/ Purification maximale : l’éthanol absolu > 99%
L’alcool déshydraté ou encore éthanol absolu est de l'éthanol ne contenant pas plus de 1% d'eau, par opposition à l'alcool rectifié.
A- Modification de pression
La distillation d’oscillation de pression s’appuie sur le fait que l’azéotropie dépend de la pression. Elle utilise aussi le fait que l’azéotropie n’est pas à une concentration au-delà de laquelle on ne peut plus distiller, mais à un point où les coefficients d’activité se croisent. Si le point azéotropique est « sauté », la distillation peut continuer, excepté qu’on extraira l’eau de l’éthanol au lieu de faire l’inverse, puisqu’on aura dépassé le point de croisement des coefficients d’activité. Pour « sauter » le point azéotropique, on peut le déplacer par une modification de pression. Une fois dépassé l’azéotrope, on n’est plus bloqué dans la distillation.
B- Ajout d’un agent de séparation
Pour « briser » l’azéotrope, on peut aussi ajouter un agent de séparation. Par exemple, l’ajout de benzène à la solution change les interactions moléculaires et élimine (« brise ») l’azéotrope. Une fois dépassé l’azéotrope, on n’est plus bloqué dans la distillation. L’inconvénient est qu’une autre séparation est nécessaire pour éliminer le benzène.
C- Filtrage
Pour la distillation d’éthanol destiné à être ajouté au gazole, la méthode la plus utilisée est la pervaporation. Une fois distillé à 95,6%, l’éthanol est passé à travers un filtre moléculaire qui retient l’eau. Une fois que la solution a dépassé les 96 % de concentration, la distillation se poursuit. Le filtre est chauffé pour en éliminer l’eau, puis est réutilisé.
IV/ L’éthanol dénaturé
L'éthanol est soumis par les Etats à un droit d’accise, un impôt indirect perçu sur la consommation. C’est aussi le cas pour le tabac et le pétrole. Il s'agit des plus anciennes sources de revenu des gouvernements du monde entier.
Afin de différencier l’alcool destiné à la consommation et l’alcool industriel, on ajoute un dénaturant pour rendre le mélange impropre à la consommation alimentaire. Par exemple, de l'alcool isopropylique, du benzoate de dénatonium (composé très amer) etc…
Exemples d’alcool dénaturés :
- L'alcool modifié est vendu dans les pharmacies comme antiseptique. Il est constitué d'éthanol à 80 ou 90 % auquel du camphre est ajouté en guise de dénaturant. Le camphre est toxique à forte dose et provoque des vomissements.
- L'alcool ménager est l'alcool à brûler qu'on trouve dans le commerce, pour alimenter les réchauds à alcool notamment. Il est constitué d'un mélange d'alcool éthylique (pour 90 %) et de méthanol (de 5 à 10 %) servant de dénaturant. Le méthanol est hautement toxique : sa consommation provoque la cécité et il peut être mortel à des doses plus élevées.
L’éthanol absolu peut être vendu dénaturé, tout en conservant son adjectif d'absolu, bien que la concentration finale d’éthanol soit alors inférieure à 99%. L’adjectif « absolu » se réfère alors à l’absence d’eau plus qu’à la concentration d’éthanol. On devrait dire « éthanol déshydraté dénaturé » au lieu de « éthanol absolu dénaturé » pour être plus juste.