Il a été connu depuis bien longtemps que les levures transforment le sucre en alcool, la réaction est dite de fermentation alcoolique. Dans les moûts riches en sucre, les enzymes impliquées dans le processus de respiration sont inhibées; c’est le phénomène de répression catabolique. Les levures utilisées industriellement, notamment Saccharomyces cerevisiae, transforment le substrat sucré en éthanol et en gaz carbonique, dans des installations où l’oxygène est généralement exclu afin de favoriser la respiration anaérobie. L’éthanol est toxique pour la levure à des concentrations élevées et sa concentration limite peut faire mourir les micro-organismes lorsque le taux d’éthanol approche environ 15 % en milieu fermentatif.
La fermentation est une opération discontinue lorsque l’on utilise des fermentations en cuve libre, mais des procédés modernes proposent des configurations continues avec récupération et régénération des levures, ce qui permet de maintenir l’activité fermentaire et de limiter le recyclage du substrat. L’équation chimique principale de la fermentation est C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2, montrant la conversion du glucose en éthanol et CO2. Le substrat provient en grande partie de glucides végétaux tels que la canne à sucre, la betterave ou le maïs, et les sous-produits incluent le dioxyde de carbone et des résidus utilisables comme nourriture pour le bétail.
Le second mode industriel majeur de production d’éthanol est l’hydratation de l’éthène. Cette réaction est une addition électrophile catalysée par un acide phosphorique (V) et donne l’éthanol selon l’équation C2H4 + H2O ⇌ C2H5OH, avec une énergie de réaction ΔHº = -45 kJ mol-1. Cette voie est rapide mais dépend d’énergies et de ressources non renouvelables, car l’éthène provient du craquage d’hydrocarbures pétroliers. Malgré une pureté élevée du produit après distillation, l’hydratation n’est pas considérée comme durable à grande échelle comparée à la fermentation.
Conditions et mécanismes jouent un rôle crucial. Pour la fermentation, la température est optimisée autour de 35 °C et l’oxygène est exclu du réacteur pour éviter l’oxydation de l’éthanol en acide éthanoïque; les levures apportent les enzymes nécessaires et permettent la production dans des conditions anaérobies. Pour l’hydratation, la température autour de 300 °C et une pression de 60-70 atm favorisent la réaction en avant et nécessitent des catalyseurs acide phosphorique, avec un excès d’éthène pour augmenter le rendement et éviter la diluation du catalyseur par la vapeur.
Comparons les deux méthodes : la fermentation utilise des glucides végétaux comme matières premières, des enzymes de levure comme catalyseurs biologiques, et se déroule en continu ou par lots selon le procédé; elle est durable et présente des coûts généralement plus faibles, mais avec une vitesse de réaction plus lente. L’hydratation de l’éthène utilise des hydrocarbures non renouvelables comme matière première, une catalyse chimique agressive et des conditions hautement énergétiques, mais offre une rapidité de réaction et une pureté élevée du produit.
Dans le cadre d’un usage comme biocarburant, l’éthanol issu de la fermentation est largement utilisé dans les carburants renouvelables depuis environ un demi-siècle. Des carburants comme E10 ou E85 existent selon les pays, et le Brésil exploite une flotte de véhicules fonctionnant 100 % à l’éthanol issu de la fermentation. Les biocarburants présentent des avantages notables: renouvelabilité, empreinte carbone plus faible, potentiel de production locale et utilisation possible de déchets agricoles. Cependant, ils posent aussi des défis économiques et environnementaux, tels que l’allocation des terres et les impacts sur les cultures alimentaires et la biodiversité.
La fermentation produit des alcools plus lourds que l’éthanol et peut être influencée par des facteurs tels que la répression catabolique, la concentration de sucre et l’ajout de nutriments. Le contrôle du système permet d’obtenir des levures floculées réutilisables et une fractionnement adapté, tout en évitant la centrifugation coûteuse. Par ailleurs, le procédé peut être optimisé pour maintenir des conditions qui favorisent la formation d’un liquide alcoolisé prêt à être fractionné, avec des rendements suffisants et un séjour total compatible avec les contraintes industrielles.
- Fermentation du glucose: substrats glucidiques, levures Saccharomyces cerevisiae, conditions anaérobies, production d’éthanol et CO2, chaleur et stabilité des levures.
- Hydratation de l’éthène: réaction rapide, catalyseur acide phosphorique, pression élevée, rendement élevé, pureté du produit, non durable sur le plan des ressources.
En synthèse, l’éthanol peut être produit par fermentation du glucose ou par hydratation de l’éthène. La fermentation demeure dominante économiquement et écologiquement dans l’industrie du bioéthanol, tandis que l’hydratation sert des applications industrielles spécifiques lorsque des vitesses élevées et des conditions contrôlables sont prioritaires. L’éthanol est ensuite utilisé comme biocarburant, et ses implications énergétiques et environnementales continuent de guider les choix technologiques et les politiques publiques.
Préparation d'éthanol par fermentation
Des diagrammes et schémas peuvent illustrer les étapes clés de chaque procédé et les transitions entre fermentation et distillation, ainsi que les paramètres de stabilité des levures et de séparation des phases dans les configurations continues.
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