Lịch sử hình thành cồn sinh học (Ethanol) , BIO ETHANOL thay thế IPA, IBA, Butanol, xăng bio ethanol

Lịch sử hình thành cồn sinh học (Ethanol)

1.Lịch sử

Êthanol đã được con người sử dụng từ thời tiền sử như là một thành phần gây cảm giác say trong đồ uống chứa cồn. Các cặn bã khô trong các bình gốm 9000 năm tuổi tìm thấy ở miền bắc Trung Quốc đã gián tiếp cho thấy việc sử dụng các đồ uống chứa cồn trong số những người sống ở thời kỳ đồ đá mới. Việc chiết nó ra dưới dạng tương đối nguyên chất đã được thực hiện lần đầu tiên bởi các nhà giả kim thuậtHồi giáo và họ là những người đã phát triển ra nghệ thuật chưng cất rượu trong thời kỳ của chế độ khalip (vua chúa Hồi giáo) thời kỳ Abbasid (tiếng Ả Rập: العبّاسدين al-ʿAbbāsidīn). Các ghi chép của Jabir Ibn Hayyan (Geber) (721-815) đã đề cập tới hơi dễ cháy của rượu được đun sôi. Al-Kindī (801-873) cũng đã miêu tả rõ ràng quá trình chưng cất rượu. Việc chưng cất êtanol ra khỏi nước có thể tạo ra các sản phẩm chứa tới 96% êtanol. Êtanol nguyên chất lần đầu tiên đã thu được vào năm 1796 bởi Johann Tobias Lowitz, bằng cách lọc êtanol chưng cất qua than củi.
Antoine Lavoisier đã mô tả êthanol như là một hợp chất của cacbon, hiđrô và ôxy, và năm 1808, Nicolas-Théodore de Saussure đã xác định được công thức hóa học của nó. Năm 1858, Archibald Scott Couper đã công bố công thức cấu trúc của êtanol: điều này làm cho êthanol trở thành một trong các hợp chất hóa học đầu tiên có sự xác định cấu trúc hóa học.
Ethanol lần đầu tiên được tổng hợp nhân tạo vào năm 1826, thông qua các cố gắng độc lập của Henry Hennel ở Anh và S.G. Sérullas ở Pháp. Michael Faraday đã điều chế êtanol bằng phản ứng hyđrat hóa etylen  với xúc tác axít năm 1828, theo một công nghệ tương tự như công nghệ tổng hợp êtanol công nghiệp ngày nay.

 2. Sản xuất

Ethanol được sử dụng như là nguyên liệu công nghiệp và thông thường nó được sản xuất từ các nguyên liệu dầu mỏ, chủ yếu là thông qua phương pháp hyđrat hóa êtylen bằng xúc tác axít, được trình bày theo phản ứng hóa học sau. Cho etilen hợp nước ở 300 độ C, áp suất 70-80 atm với chất xúc tác là acid wolframic hoặc acid phosphoric:

Chất xúc tác thông thường là axít phốtphoric, được hút bám trong các chất có độ xốp cao chẳng hạn như điatomit (đất chứa tảo cát) hay than củi; chất xúc tác này đã lần đầu tiên được công ty dầu mỏ Shell sử dụng để sản xuất êtanol ở mức độ công nghiệp năm 1947. Các chất xúc tác rắn, chủ yếu là các loại ôxít kim loại khác nhau, cũng được đề cập tới trong các sách vở hóa học.

Trong công nghệ cũ, lần đầu tiên được tiến hành ở mức độ công nghiệp vào năm 1930 bởi Union Carbide, nhưng ngày nay gần như đã bị loại bỏ thì êtylen đầu tiên được hyđrat hóa gián tiếp bằng phản ứng của nó với axít sulfuric đậm đặc để tạo ra ethyl sulfat, sau đó chất này được thủy phân để tạo thành êtanol và tái tạo axít sulfuric:

Êtanol để sử dụng công nghiệp thông thường là không phù hợp với mục đích làm đồ uống cho con người ("biến tính") do nó có chứa một lượng nhỏ các chất có thể là độc hại (chẳng hạn methanol) hay khó chịu (chẳng hạn denatonium- C₂₁H₂₉N₂O•C₇H₅O₂-là một chất rất đắng, gây tê). Êthanol biến tính có số UN là UN 1987 và êthanol biến tính độc hại có số là UN 1986.

 

3. Lên men

Êthanol để sử dụng trong đồ uống chứa cồn cũng như phần lớn êtanol sử dụng làm nhiên liệu, được sản xuất bằng cách lên men: khi một số loài men rượu nhất định (quan trọng nhất là Saccharomyces cerevisiae) chuyển hóađường trong điều kiện không có ôxy (gọi là yếm khí), chúng sản xuất ra êtanol và cacbon điôxít CO₂. Phản ứng hóa học tổng quát có thể viết như sau:

C₆H₁₂O₆ → 2 CH₃CH₂OH + 2 CO₂

Quá trình nuôi cấy men rượu theo các điều kiện để sản xuất rượu được gọi là ủ rượu. Men rượu có thể phát triển trong sự hiện diện của khoảng 20% rượu, nhưng nồng độ của rượu trong các sản phẩm cuối cùng có thể tăng lên nhờ chưng cất.
Để sản xuất êtanol từ các nguyên liệu chứa tinh bột như hạt ngũ cốc thì tinh bột đầu tiên phải được chuyển hóa thành đường. Trong việc ủ men bia, theo truyền thống nó được tạo ra bằng cách cho hạt nảy mầm hay ủ mạch nha. Trong quá trình nảy mầm, hạt tạo ra các enzym có chức năng phá vỡ tinh bột để tạo ra đường. Để sản xuất êtanol làm nhiên liệu, quá trình thủy phân này của tinh bột thành glucoza được thực hiện nhanh chóng hơn bằng cách xử lý hạt với axít sulfuric loãng, enzym nấm amylas, hay là tổ hợp của cả hai phương pháp.
Về tiềm năng, glucoza để lên men thành êtanol có thể thu được từ xenluloza. Việc thực hiện công nghệ này có thể giúp chuyển hóa một loại các phế thải và phụ phẩm nông nghiệp chứa nhiều xenluloza, chẳng hạn lõi ngô, rơm rạ hay mùn cưa thành các nguồn năng lượng tái sinh. Cho đến gần đây thì giá thành của các enzym cellulas có thể thủy phân xenluloza là rất cao. Hãng Iogen ở Canada đã đưa vào vận hành xí nghiệp sản xuất êtanol trên cơ sở xenluloza đầu tiên vào năm 2004.
Phản ứng thủy phâncellulose gồm các bước. Bước 1, thủy phân xenluloza thành mantoza dưới tác dụng của men amylaza.
Bước 2, thủy phân tiếp mantoza thành glucoza hoặc fructoza dưới tác dụng của men mantaza.
Bước 3, phản ứng lên men rượu có xúc tác là men zima.
Với giá dầu mỏ tương tự như các mức giá của những năm thập niên 1990 thì công nghệ hyđrat hóa êtylen là kinh tế một cách đáng kể hơn so với công nghệ lên men để sản xuất êtanol tinh khiết. Sự tăng cao của giá dầu mỏ trong thời gian gần đây, cùng với sự không ổn định trong giá cả nông phẩm theo từng năm đã làm cho việc dự báo giá thành sản xuất tương đối của công nghệ lên men và công nghệ hóa dầu là rất khó.

 

4. Làm tinh khiết

Đối với hỗn hợp êtanol và nước, điểm sôi hỗn hợp (azeotrope) cực đại ở nồng độ 96% êtanol và 4% nước. Vì lý do này, chưng cất phân đoạn hỗn hợp êtanol-nước (chứa ít hơn 96% êtanol) không thể tạo ra êtanol tinh khiết hơn 96%. Vì vậy, 95% êtanol trong nước là dung môi phổ biến nhất.
Hai hướng cạnh tranh nhau có thể sử dụng trong sản xuất êtanol tinh chất. Để phá vỡ điểm sôi hỗn hợp nhằm thực hiện việc chưng cất thì một lượng nhỏ benzen có thể thêm vào, và hỗn hợp lại được chưng cất phân đoạn một lần nữa. Benzen tạo ra điểm sôi hỗn hợp cấp ba với nước và êtanol nhằm loại bỏ êtanol ra khỏi nước, và điểm sôi hỗn hợp cấp hai với êtanol loại bỏ phần lớn benzen. Êtanol được tạo ra không chứa nước. Tuy nhiên, một lượng rất nhỏ (cỡ phần triệu benzen vẫn còn, vì thế việc sử dụng êtanol đối với người có thể gây tổn thương cho gan.

Ngoài ra, sàng phân tử có thể sử dụng để hấp thụ có chọn lọc nước từ dung dịch 96% ethanol. Zeolit tổng hợp trong dạng viên tròn có thể sử dụng, cũng như là bột yến mạch. Hướng tiếp cận bằng zeolit là đặc biệt có giá trị, vì có khả năng tái sinh zeolit trong hệ khép kín về cơ bản là không giới hạn số lần, thông qua việc làm khô nó với luồng hơi CO₂ nóng. Êtanol tinh chất được sản xuất theo cách này không có dấu tích của benzen, và có thể sử dụng như là nhiên liệu hay thậm chí khi hòa tan có thể dùng để làm mạnh thêm các loại rượu như rượu vang pooctô (có nguồn gốc ở Bồ Đào Nha hay rượu vang sherry (có nguồn gốc ở Tây Ban Nha) trong các hoạt động nấu rượu truyền thống.