La maggior parte dell’etanolo del mondo è prodotto dalla fermentazione delle colture (93%), mentre l’etanolo sintetico (7%) è prodotto mediante idratazione diretta dell’etene (etilene).
Impieghi dell’etanolo
La fermentazione di materiale vegetale (per esempio, orzo e riso) è la via attraverso la quale vengono prodotte le bevande alcoliche (per esempio, birra, whisky, gin e vodka). È anche il modo in cui viene prodotto il bioetanolo per i biocarburanti.
Tra gli usi del bioetanolo, il più importante è facilmente quello come carburante per le auto. Tuttavia un crescente impiego è nella produzione di etene come via per il poli(etene). Gli altri usi principali dell’etanolo come intermedio chimico sono per:
Viene utilizzato anche come solvente nella produzione di cosmetici, prodotti farmaceutici, detergenti, inchiostri e rivestimenti.
Produzione annuale di etanolo
| Mondo | 850000 tonnellate |
| Europa | 470000 tonnellate |
Queste cifre si riferiscono all’alcool di sintesi (cioè non includono l’alcool prodotto per via biosintetica, il bioetanolo.
La quantità di bioetanolo prodotto è enorme in confronto (Associazione dei Combustibili Rinnovabili, 2016). Nel 2015, ne sono stati prodotti 25,7 miliardi di galloni (circa 80 milioni di tonnellate). Di questi, 14,6 miliardi di galloni (circa 44 milioni di tonnellate) sono stati prodotti negli Stati Uniti, principalmente dal mais, 7,1 miliardi di galloni (circa 21 milioni di tonnellate) in Brasile, principalmente dallo zucchero. L’Europa ha prodotto molto meno, 1,4 miliardi di galloni (circa 1 milione di tonnellate).
Produzione di etanolo
L’etanolo viene prodotto mediante l’idratazione catalitica diretta dell’etene in presenza di vapore, utilizzando acido fosforico adsorbito sulla superficie di un solido (silice) come catalizzatore in un reattore a letto fisso. La reazione è reversibile ed esotermica:
Dall’equazione di equilibrio, si può vedere che la conversione della materia prima in etanolo è favorita dalla bassa temperatura, dall’alta pressione e dall’alta concentrazione di vapore.
Per ottenere velocità di reazione accettabili, si opera ad una temperatura di circa 500 K in presenza del catalizzatore. L’aumento della pressione spinge la reazione verso la formazione del prodotto ma provoca anche la polimerizzazione dell’etene. Pressioni più elevate significano anche un aumento dei costi di capitale e di esercizio. In pratica, il processo viene generalmente eseguito ad una pressione di 60-70 atm.
Una maggiore conversione dell’etene può essere ottenuta utilizzando un eccesso di acqua (vapore). Ma ad alte pressioni il catalizzatore assorbe acqua, la sua attività si riduce e si diluisce, drenando via dal supporto del catalizzatore. Un rapporto molare di acqua : etene intorno a 0,6 : 1 è comunemente usato.
Si fa molta attenzione a ridurre al minimo le emissioni di etanolo dall’impianto, insieme alle piccole quantità di sottoprodotti che vengono prodotte, principalmente etanale (acetaldeide) ed etere dietilico.
Si sta lavorando molto per migliorare il catalizzatore in modo da ridurre la temperatura del forno. Ciò significa che si utilizzerà meno combustibile per riscaldare il forno e la posizione di equilibrio sarà “spostata” per favorire la formazione del prodotto.
Con le condizioni descritte sopra, si ottiene una conversione di circa il 5% per passaggio. Per ottenere la resa del 95% raggiunta, l’etene non reagito viene separato dai prodotti liquidi e riciclato.
Il prodotto contiene un’alta percentuale di acqua e viene distillato per produrre una soluzione al 95% (p/p) di etanolo.
Produzione di etanolo puro
Distillazione
Un’ulteriore distillazione della soluzione al 95% di etanolo in acqua non migliora la purezza in quanto si produce un azeotropo (miscela a ebollizione costante). Questo può essere superato aggiungendo un terzo composto (ad esempio il benzene) che “rompe” l’azeotropo, ma questo comporta più distillazioni e di conseguenza più energia.
Pressure swing adsorption (PSA, Adsorbimento a pressione oscillante)
Un setaccio molecolare a zeolite viene sempre più utilizzato per rimuovere l’acqua per produrre etanolo puro attraverso un processo noto come adsorbimento oscillante a pressione.
La miscela di etanolo e acqua viene fatta passare attraverso una colonna contenente pellet di un setaccio molecolare di 3 Å (cioè i pori hanno un diametro di 3 angstrom, 3×10-10 m o 0,3 nm).
Anche se sia l’etanolo che l’acqua sono polari, solo le molecole di acqua (diametro 0,28 nm) sono in grado di passare attraverso i pori in quanto il diametro delle molecole di etanolo è troppo grande (0,44 nm). Così le molecole di acqua entrano attraverso i pori e sono intrappolate nelle gabbie della zeolite. L’etanolo passa attraverso la colonna e viene raccolto.
In un metodo, che di solito viene utilizzato, la miscela etanolo-acqua viene fatta passare attraverso la colonna in fase gassosa a circa 420 K, in pressione (4 atm) (Figure 3 e 4). Il vapore acqueo passa attraverso i pori e viene adsorbito, come liquido, nelle gabbie.
Il termine “oscillante/swing” è usato perché si usano due colonne in parallelo. Nella Figura 3 la colonna di sinistra viene utilizzata per asciugare l’etanolo, mentre l’altra, quella di destra, viene utilizzata per rigenerare la zeolite.
Nel secondo metodo, la soluzione liquida di etanolo e acqua viene fatta passare attraverso una colonna della zeolite e si raccoglie l’etanolo puro. Dopo diverse ore, il letto viene drenato e riscaldato a oltre 500 K con un flusso di azoto riscaldato. L’acqua viene espulsa. Questa tecnica è chiamata adsorbimento termico (o a temperatura) oscillante.
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