Le Bioéthanol
Une alternative pour l'automobile ?
Synthèse du bioéthanol
Voici les étapes que suivies pour obtenir du bioéthanol. A travers la synthèse de notre propre éthanol nous allons mettre en évidence le problème de rendement de ce carburant lors de sa fabrication, qui représente un de ses défauts majeurs.
3. Mise en évidence de la présence de sucre
1. Extraction du sucre présent dans une betterave sucrière :
Pour produire du bioéthanol, il faut réaliser une fermentation alcoolique à partir d'un jus sucré. Nous allons donc pour cela extraire le sucre des betteraves sucrières présent dans les vacuoles des cellules : pour cela il faut procéder à une infusion. En effet, la chaleur permet de dénaturer les vacuoles et le sucre peut alors se répandre hors des cellules.
Matériel :
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Erlen Meyer de 500 ml
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éprouvette graduée
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plaque chauffante avec agitateur magnétique
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barreau aimanté
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mixeur
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betterave
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balance
150 grammes de betterave sucrière à infuser.
300 millilitres d'eau distillée.
Mode opératoire :
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Peser 150g de betterave et les mixer grossièrement
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Mettre la betterave dans l’Erlen Meyer et ajouter 300ml d’eau distillée
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Mettre à chauffer sur la plaque chauffante tournante tout en mettant à agiter grâce à l'agitateur magnétique à environ 100 degrés pendant 30 minutes.
Le résultat attendu est un jus de betterave sucré.
Infusion de la betterave dans l'eau distillée
L’opération a été effectuée 3 fois pour produire une plus grande quantité d’éthanol.
2. Purification du jus de betterave obtenu :
Pour purifier la solution de jus sucré précédemment obtenue, un des moyens est de procéder à un chaulage : il s’agit d’ajouter de l’oxyde de calcium, ou chaux vive, dans la solution à purifier, puis d’y faire barboter du dioxyde de carbone. Cela a pour effet de précipiter les impuretés et de les fixer, pour enfin les éliminer avec une filtration, ici sur Büchner pour accélérer le processus. Le dioxyde de carbone est obtenu en versant de l’acide chlorhydrique sur du carbonate de calcium (craie)
Matériel :
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Jus précédemment obtenu
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Système de barbotage
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Système de filtration sous vide
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Papier filtre
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Carbonate de calcium
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Acide chlorhydrique
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Oxyde de calcium
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Agitateur en verre
Schéma de la filtration sous vide avec Büchner.
Source: spc.ac-aix-marseille.fr, non modifié
Schéma du système de barbotage pour le chaulage.
Mode opératoire :
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Filtrer rapidement sur papier filtre le jus de betterave pour le séparer des plus gros morceaux.
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Ajouter 10 mL d'oxyde de calcium au filtrat et agiter le mélange obtenu.
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Verser quelques gouttes d'acide chlorhydrique sur le carbonate de calcium : il y a alors formation de dioxyde de carbone.
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Faire barboter le dioxyde de carbone dans le mélange de jus de betterave et d'oxyde de calcium pendant environ 10 minutes.
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Filtrer sur Büchner le mélange obtenu.
Le résultat attendu est un jus de betterave débarrassé de toute impureté.
Filtration sur Büchner du jus de betterave après chaulage.
A gauche, jus de betterave après chaulage: les impuretés forment un précipité. A droite: solution après filtration.
3. Mise en évidence de la présence de sucre :
Avant de continuer, il faut vérifier que l'extraction du sucre de betterave a fontionnée. La liqueur de Fehling est un révélateur de la présence de glucose, cependant le sucre de la betterave est le saccharose. Il doit s’hydroliser pour devenir du glucose. Lors de l’infusion précédemment réalisée pour extraire le sucre, la chaleur a en partie hydrolysé le saccharose présent en glucose. La liqueur de Fehling est de couleur bleue : si le test est positif, la couleur vire à l'orange.
Matériel :
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Jus précédemment purifié
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Liqueur de Fehling
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Tube à essais
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Bain marie
Juqs
Solution de betterave et de liqueur de Fehling au bain-marie en début de réaction.
Solution de betterave et de liqueur de Fehling au bain-marie en fin de réaction.
Mode opératoire :
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Remplire un tube à essais d'un peu de solution de jus de betterave.
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Ajouter quelques gouttes de liqueur de Fehling.
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Mettre le tube à essais au bain-marie le temps que la liqueur agisse.
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Si la solution devient orange, le test est positif. Sinon la solution reste bleue.
On s'attend à ce que le test soit positif, et que la liqueur de Fehling devienne de couleur orange.
4. Mise en évidence de la fermentation :
Si le test à la liqueur de Fehling est positif, c'est parce qu'il y a présence de glucose, donc de sucre, et que l'extraction a fonctionné car il provient de l'hydrolyse du saccharose extrait de la betterave. Pour obtenir de l'éthanol, il faut procéder à une fermentation pour transformer le sucre présent en alcool. Nous avons mis en évidence les réactions qui ont lieu lors de la fermentation à l'aide d'un montage Exao.
Matériel :
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Montage Exao
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Levures en suspension, à jeun
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Glucose
Mode opératoire :
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Remplire la cuve avec les levures en suspension.
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Placer les sondes à dioxygène, dioxyde de carbone et éthanol.
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Commencer l'acquisiton.
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A quatre minutes, injecter quelque millilitres de glucose.
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observer l'évolution des niveaux de dioxygène, de dioxyde de carbone et d'éthanol pendant 10 minutes après l'ajout du glucose.
Voici le graphique que nous avons obtenu:
Graphique représentant la quantité de dioxygène, de dioxyde de carbone et d'éthanol avant, pendant et après l'ajout de glucose dans une solution de levures en suspension.
On observe lors de l'ajout de glucose dans une solution de levures en suspension une forte chute du niveau de dioxygène, ainsi qu'une importante augmentation du dioxyde de carbone. Enfin, on remarque qu'à partir du moment où il n'y a plus de dioxygène, il y a formation d'éthanol.
5. Fermentation du jus sucré :
Le test à la liqueur de Fehling étant positif, nous savons qu'il y a présence de saccharose, donc de sucre, et que l'extraction a fonctionné. Pour obtenir de l'éthanol, il faut procéder à une fermentation pour transformer le sucre présent en alcool.
Matériel :
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Bécher
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Erlen meyer de 500 mL
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Jus sucré
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Levures
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agitateur en verre
Mode opératoire :
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Peser 10 g de levures.
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Prélever quelques mL de solution de jus sucré de betterave et y mélanger les levures de façon a bien les diluer.
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Ajouter le mélange au reste de la solution et mélanger uniformémént.
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Placer l'erlen meyer dans un milieu sans lumière pendant au moins deux semaines pour permettre aux levures d'agir.
Total de production de jus sucré de betterave avec levures.
Jus sucré de betteraves et levures mélangées.
6. Distillation de l'alcool :
La distillation est une technique expérimentale qui permet de séparer différents liquides présents dans une solution qui semble homogène. Il s’agit de séparer l’éthanol du reste de la solution. La température d’ébullition de l’éthanol à pression ambiante est de 79°, il s’agit donc de faire évaporer l’éthanol présent et de le récupérer avec une colonne à distiller.
Matériel :
Chauffe-ballon
Ballon
Colonne Devigreux
Jus de betterave fermenté
Pierre ponce
Thermomètre
Bécher
Réfrigérant à eau
Extraction de l'éthanol du jus de betterave fermenté.
Les vapeurs à 79°c sont les vapeurs d'éthanol a récupérer.
Mode opératoire :
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Placer la solution de jus de betterave fermenté à distiller dans le ballon.
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Ajouter quelques grains de pierre ponce.
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Adapter la colonne devigreux au ballon, ainsi que le thermomètre à la colonne et le réfrigérant à eau.
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Mettre à chauffer sur le chauffe-ballon; porter les vapeurs à 79°c et les maintenir à cette température.
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Lorsque cette température est atteinte, placer le bécher sous le réfrigérant: le liquide récupéré est alors l'éthanol extrait ainsi qu'un peu d'eau.
Au final, nous avons récupéré 3,3 mL de distillat pour 450g de betterave et 900 mL d'eau. Reste à déterminer le volume en éthanol de cette solution. Il nous reste plus qu'à déterminer sa concentration en éthanol:
Soit:
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Cc la concentration en éthanol du distillat en g/L
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Cd la concentration en éthanol du distillat dilué en g/L
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Vd le volume dilué en L
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Vc le volume du distillat en L
Avec 3,3 mL de distillat dilué dans 146,7 mL d'eau distillée pour un volume total de 150 mL, nous avons obtenu une concentration en éthanol de 16 g/L.
Nous avons finalement obtenu un distillat avec une concentration en éthanol de 727,27 g/L, ce qui correspond à un distillat à 92°c d'alcool.
Pour conclure, nous pouvons dire qu'il existe un certain problème de rendement lors de la synthèse de bioéthanol: en effet, nous avons utilisé 450 g de betterave et 900 mL d'eau distillée, pour au final n'obtenir que 3,3 mL de distillat. Cependant, bien que les industriels du secteur du bioéthanol cherchent à optimiser toujours plus le rendement pour avoir le moins de perte possible et faire un maximum de profit avec un minimum de matière première, ils obtiennent toujours un rendement en bioéthanol qui reste faible.