Tpe sur les biocarburants, l'éthanol pur.

Introduction sur l'éthanol, un biocarburant naturel.

De tout temps l’homme a cherché à améliorer les moyens de transport. Il a dans un premier temps cherché à les développer au maximum pour obtenir des performances optimum. Mais bien souvent ces progrès se sont fait en méprisant l’environnement. Aujourd’hui, dans les pays industrialisés, l’automobile est l’un des moyens de transport les plus utilisés. On cherche actuellement à les rendre moins polluants. De nombreuses solutions on été envisagées, l’une d’elle est les biocarburants. Il en existe un très grand nombre réparti en deux groupes :



• Biocarburants oléagineux (huiles) Le plus connu est l’huile de colza. Ils sont obtenus à partir : de végétaux, de graisses animales. Ils peuvent être utilisés pour remplacer le gasoil dans les moteurs diesel. Il est intéressant de noter que les premiers prototypes de moteur diesel de Rudolf Diesel fonctionnaient avec des huiles végétales.


• Biocarburants éthyliques (alcools) L’Ethyl-tertio-butyl-éther (ETBE) : obtenu par réaction entre l’éthanol l’isobutène, est utilisé comme additif à hauteur de 5% dans les essences pour remplacer le plomb. Le méthanol : (ou alcool de bois) peut être utilisé pour remplacer l’essence dans certains moteurs ou comme additif dans le gasoil. Le Butanol : il est fabriqué à partir d’avoine, de betteraves ou de canne à sucre, et peut servire d’additif à l’essence ou au gasoil L’éthanol : actuellement est le plus utilisé, il peut remplacer l’essence. (Sans Plomb 95 et Sans Plomb 98. Il en existe différents types :


-E100 éthanol pur.
-E85 85% d’éthanol et 15% d’essence.
-E70 70% d’éthanol et 30% d’essence.


En France depuis le 1er janvier 2007 le E85 est en vente libre dans certaines stations. Dans d’autres pays européens comme l’Allemagne et la Suède l’éthanol est en vente libre depuis de nombreuses années. Certains grands constructeurs automobiles sont contre l’utilisation des biocarburants car selon eux ils peuvent endommager le moteur. D’autre comme Saab et Volvo encouragent leur utilisation.

Pour notre TPE nous avons sélectionné un biocarburant : l’éthanol type E100, et nous nous intéresserons à sa fabrication et à ses effets dans un moteur quatre temps qui utilise un carburant classique, le moteur d’une coccinelle Volkswagen.


I La fabrication de l’éthanol et son identification.

• Comment obtenir de l’éthanol et l’identifier ? L’éthanol est l’alcool primaire que l’on trouve dans le vin et de nombreuses boissons alcoolisées, il est fabriqué en deux grandes étapes : une fermentation et une hydrodistilation.



A) La Fermentation

Il existe plusieurs façons de produire de l’éthanol. Elles ont un point en commun, un produit végétal est à la basse de la réaction qui produit de l’éthanol. Le produit végétal en question doit produire du sucre.( le sucre peut aussi bien être du glucose que du saccharose) On doit mettre le sucre dans de l’eau (Il faut qu’il y est au moins80% en masse d’eau ) et y ajouter de la levure de bière (levure de boulanger) dans cette levure va se trouver des bactéries qui vont dégrader le sucre pour obtenir de l’alcool. Cette opération s’appelle une glycolyse. (C’est une série de réactions catalysées par des enzymes qui dégradent une molécule de glucose, ( 6 atomes de carbone), en deux molécules de pyruvate , (3 atomes de carbone, ceci va permettre l’apparition de l’éthanol)


On obtient donc les deux équations chimiques suivantes :

Pour le saccharose:
C12H22O11(S) +H2O(l) ? 4C2H6O(l) +4CO2(g)

Pour le glucose:

C6H12O6(S) ? 2C2H6O(aq) +2CO2(g)

Pour cette équation l’eau n’est pas mentionnée car elle est utilisée comme solvant, elle ne sert qu’à dissoudre le glucose. La levure n’apparaît dans aucune des réactions car elle est composée essentiellement de bactéries qui vont dégrader les sucres puis disparaître tuées par l’alcool.



Préparation de la fermentation.

Nous avons choisi de travailler avec du saccharose.

Comment obtenir la solution d’eau sucrée ?

On prend 25 mg de sucre, cela veut donc dire qu’il y aura au moins 100mg d’eau. On doit donc calculer le volume d’eau nécessaire à la solution d’eau sucrée.
On sait que la masse volumique de l’eau, µH2O est égale 1000gL-1

µ= masse / Volume
µH2O= mH2O /VH2O
Donc VH2O=mH20µH20
VH2O=0,100 /1000
VH2O=100ml


Protocole Expérimental.

Matériel :
Une balance.
Une éprouvette graduée de 250ml.
Un bécher de 500 ml.
Deux capsules.

Manipulation.


Peser 25mg de saccharose et les verser dans le bècher.
Pour nous assurer que l’eau soit bien en excès on mesure 250 ml d’eau avec l’éprouvette graduée, on verse le contenu de l’éprouvette dans le bècher, on remue le mélange jusqu’à ce que le sucre soit totalement dissous dans l’eau. On prélève dans une capsule environ 5 g de levure de bière et on agite.
La fermentation prend quelques heures, et se caractérise par la formation de mousse blanche qui indique l’apparition de dioxyde de carbone.
Pour accélérer la fermentation on peut mettre le mélange en aérobie ( un endroit où il n’y pas d’air) prés d’une source de chaleur mais en procédant régulièrement à des dégazages.


• Comment séparer l’eau et l’éthanol ?

B )L’hydrodistillation.



L’éthanol est mélangé à l’eau .Ces deux corps sont miscibles et tous les deux incolores. Mais on sait que la température d‘ébullition de l’éthanol est de 78°C, et celle de l’ eau est de 100°C. On peut donc pratiquer une hydrodistillation pour séparer l’éthanol de l’eau. Le principe est simple, on va faire chauffer à 78°C la solution issue de la fermentation dans une ballon. Les vapeurs d’éthanol vont monter dans la colonne de Vigreux, puis elles vont passer dans un réfrigérant à eau. Là, la température va baisser et les vapeurs d’éthanol vont devenir de l’éthanol liquide que l’on va recueillir dans un bécher.
Pour la réussite de la manipulation, il est important que la solution issue de la fermentation ne dépasse pas 100°C sinon l’eau s’évaporerait aussi et l’on recueillerait la même solution.


Photo du montage.


montage d'hydrodistillation


Pour des raisons de sécurité, il est important que le chauffe-ballon soit sur un support élévateur afin que l’on puisse interrompre l’ébullition rapidement en cas de problème.


Protocole expérimental.

Matériel:
-Un chauffe-ballon.
-Un ballon.
-Une colonne de Vigreux.
-Deux supports élévateurs.
-Un réfrigérant à eau.
-Une allonge coudée.
-Un bécher.
-Un thermomètre.


Manipulation:

On remplit à moitié le ballon soit 250ml, on ajoute des pierres ponces pour réguler l’ébullition. Puis on porte à ébullition la solution issue de la fermentation, on contrôle que la température ne dépasse pas 90°. Nous recueillons 3,2ml d’éthanol.



Suite: L'identification de l'éthanol pur