اتانول

اتانول چیست و چه کاربردی دارد؟ روش تولید آن چیست؟ این ماده که به آن الکل خوراکی نیز می گویند در حوزه های مختلفی مانند ساخت دارو، صنایع پزشکی (ضدعفونی و …)، سوخت، حلال و … مورد استفاده قرار می گیرد. در ادامه به روش های تولید و تفاوت های میان گرید خوراکی و صنعتی اتانول بیشتر پرداخته شده است و با خواص (فرمول شیمیایی،دانسیته و…) و کاربرد های آن بیشتر آشنا خواهیم شد.

خواص و ویژگی ها

اتانول بیش از 2000 سال است برای انسان شناخته شده است. به آن الکل، اتیل الکل یا الکل خوراکی نیز گفته می‌شود. فرمول شیمیایی آن به صورت C­2H6O یا CH3CH2OH یا C2F5OH نمایش داده می‌شود. به طور اختصاری آن را با  EtOH نمایش می‌دهند. نام‌گذاری این ماده به صورت سیستاتیک و توسط مجمع بین‌المللی شیمی کاربردی و  محض (IUPAC) به این صورت انجام گرفته است که ترکیبی متشکل از گروه آلکیل با دو اتم کربن (پیش‌وند eth-) که یک پیوند یگانه بین آن‌ها وجو دارد (-an-)، متصل به گروه عاملی –OH (پسوند –ol) است اتانول نامیده می‌شود. ساختار شیمیایی این ماده در شکل (1) نمایش داده شده است.

همان طور که مشاهده می‌کنید یک گروه متیل (-CH3) به یک گروه متیلن (-CH2) و یک گروه هیدروکسیل (-OH) متصل شده است. غلظت بالای این ماده در بدن انسان می‌تواند در عملکرد مغز اختلال ایجاد کند و باعث مسمومیت شود. اتانول یک داروی اعتیاد آور و روان گردان ( در واقع یکی از قدیمی‌ترین و رایج‌ترین داروهای تفریحی) است که مقادیر کافی از آن باعث مسمومیت ویژه (مستی) و سمیت عصبی می‌شود. این ماده به طور گسترده‌ای به عنوان حلال، به عنوان سوخت و به عنوان ماده اولیه برای تولید سایر مواد شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ساختار شیمیایی اتانول

  • کاربردها:

اتانول کاربردهای متعدد و متنوعی دارد که در شکل زیر به تعدادی از آنها اشاره شده است.

کاربرد های اتانول

اتانول ارگانیسم‌ها را با از بین بردن پروتئین و چربی آن‌ها می‌کشد و در برابر بسیاری از ویروس‌ها، باکتری‌ها و قارچ‌ها موثر است، از همین رو به صورت گسترده‌ای در دستمال مرطوب‌های پزشکی استفاده می‌شود و یکی از رایج‌ترین ترکیبات ژل‌های ضد باکتری و ضد غفونی کننده است.

این ماده در مایع آماده سازی حدودا 700 دارو از جمله استامینوفن، مکمل‌های آهن، رانیتیدین، فوروزماید، مانیتول، فنوباربیتال، تری‌متوپریم/سولفامتازول و داروهای ضد صرفه وجو دارد. از کاربردهای دیگر می توان به استفاده در تولید نوشیدنی های الکلی اشاره کرد. 

استفاده در تمیز سازی سطوح:

  • در اغلب شیشه پاک کن ها اتانول به دلیل تبخیر سریع ، مورد استفاده قرار می گیرد و می تواند لکه ها را از بین ببرد
  • این ترکیب می تواند سبب از بین رفتن لکه های موجود بر روی پارچه ها شود
  • این ماده به عنوان ماده ی ضد عفونی کننده ی سطوحی از جمله، پلاستیک، شیشه و چوب مورد استفاده قرار می گیرد.
  • محلول های شست و شوی دست

خاصیت ضد عفونی کنندگی اتانول در محلول های شست و شوی دست چقدر است؟

بیشتر محلول ها و ژل های ضد عفونی کننده ی دست حاوی الکل هایی مانند ایزوپروپانول، اتانول، n-پروپانول یا ترکیبی از 2 مورد از این محصولات می باشند. این مواد می توانند پروتئین های سلول بیگانه را تحت تاثیر قرار دهند در نتیجه متابولیسم سلولی آن ها مختل می شود. محلول های شست و شو با داشتن 60 تا 95 درصد الکل در تحت تاثیر قرار دادن فعالیت میکروارگانیسم ها بسیار موثر می باشند. جالب است بدانید غلظت های بالاتر از این مقدار به دلیل عدم وجود آب و یا مقدر کمی از آن نمی توانند پروتئین های موجود در بدن میکروب ها را تحت تاثیر قرار دهند و آن ها را از بین ببرند.

معمولا غلظت الکل موجود در این ضد عفونی کننده ها بر اساس میزان درصد حجمی بیان می شود. با این حال بعضی شرکت ها الکل موجود را بر حسب درصد وزنی گزارش می نمایند.

الکل هایی مانند اتانول دارای خاصیت ضد میکروبی می باشند و برای اولین بار در سال 1888 برای استفاده در شوینده های دست مورد استفاده قرار گرفتند.

بالاترین اثر ضد میکروبی توسط این مواد را می توان در الکل اتانول با غلظت 60٪ تا 85٪ ، ایزوپروپانول 60٪ تا 80٪ و n -پروپانول 60 تا 80 درصد به دست آورد.اثر گذاری و تبخیر این مواد به سرعت رخ می دهد و همین امر موجب توجه تولید کنندگان به این مواد شده است.

لازم است بدانید اتانول بر روی ویروس ها نسبت به سایر الکل های مذکور موثر تر می باشد اما پروپانول می تواند تاثیر بیشتری بر روی باکتری ها داشته باشد.

ترکیب الکل ها نیز می تواند خاصیت اثر بخشی ماده ی ضد عفونی کننده را بهبود ببخشد. همچنین افزودن گلیسیرین و یا آلوئه ورا به فرمولاسیون این محصولات می تواند مانع از خشکی پوست توسط این شوینده ها شود

  • استفاده به عنوان سوخت

امروزه منابع تامین انرژی بشر عمدتا از سه منبع فسیلی، هسته‌ای و تجدیدپذیر تشکیل شده است. در دهه‌های اخیر بیشترین استفاده از منابع فسیلی بوده که شامل آسیب‌های زیست محیطی و تولید گازهای گلخانه‌ای و گرمایش بیش از پیش زمین می‌شود. علاوه براین این منابع تجدیدناپذیر هستند و در آینده‌ای نه‌چندان دور به پایان خواهند رسید. از طرفی منابع هسته‌ای دارای مزایایی هستند، اما زباله‌های سوخت هسته‌ای تا هزاران سال در طبیعت باقی می‌مانند که بسیار پرتوزا و خطرناک هستند، همچنین تاسیس نیروگاه‌های هسته‌ای پرهزینه بوده و نیز منابع اورانیوم محدود و غیرقابل بازیافت می‌باشند.

از دیگر معایب این منبع انرژی می‌توان به هزینه دفن زباله‌ها و خطر نشت مواد رادیواکتیو در حمل و نقل آن‌ها اشاره کرد. بنابراین یافتن منبعی پایدار و اقتصادی به عنوان جایگزین ضروری خواهد بود. منابع تجدید پذیر مانند استفاده از انرژی خورشیدی، زمین گرمایی، باد و دریا، هیدروژن و زیست توده دارای پتانسیل بالا برای جایگزینی به شمار می‌آیند. یکی از این سوخت‌های جایگزین می تواند اتانول باشد.

بر اثر سوختن این ماده در هوا دی‌اکسیدکربن و آب تولید می‌شود. همچنین می‌توان آن را با بنزین مخلوط کرد و بنزول تولید کرد.

CH3CH2OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O

بیشترین استفاده از اتانول به عنوان سوخت موتور و افزودنی‌های سوخت است. از آن به عنوان سوخت موشک نیز استفاده می‌شود. اخیرا نیز از آن به عنوان سوخت در هواپیماهای مسابقه‌ای سبک وزن استفاده می‌شود.

  • استفاده به عنوان حلال

محصول فوق به شدت در آب انحلال‌پذیر است. لذا این حلال ایده‌آل برای تولید محصولات مختلفی از قبیل عطر ها، بوزداها یا دئودورانت‌ها، اسپری مو و مواد صنعتی مانند لاک و رنگ استفاده می‌شود. این ماده به عنوان حلال مورد استفاده قرار می‌گیرد تا اجزای فعالی که در آب حل نمی‌شوند، نرم و قابل حل شوند.

تولید مواد شیمیایی یک بازار یزرگ برای الکل است و حجم زیادی از اتانول مصنوعی با خلوص بالا در ساخت اتیل اکریلات و اتیل استات در آفریقای جنوبی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

گریدهای مختلف اتانول

همانطور که پیش از این نیز گفته شد اتانول در صنایع گوناگونی استفاده می شود اما لازم است بدانید که همه ی غلظت های این ماده برای هر کاری مناسب نمی باشند. در نتیجه یافتن غلظت مناسب برای کاربرد دلخواهتان یکی از نکاتی است که همواره باید به آن توجه نمایید. در ادامه با غلظت ها و گریدهای مختلف این ماده بیشتر آشنا می شویم:

غلظت 95 درصد (95.6%):

به دلیل آنکه اتانول یک آزئوتروپ می باشد بالاترین غلظتی که از آن می توان با کمک فرایند تقطیر به دست آورد غلظت 95.6 درصد می باشد. با این حال در برخی صنایع سیستم به وجود آب حساس است بنابراین تولید کنندگان در صدد تولید این ماده با خلوص 99 الی 100 درصد می باشند.

غلظت 99-100 درصد:

یکی از روش های مهم تولید اتانول با غلظت های بالاتر از 95 درصد استفاده از افزودنی هایی به ترکیب است که می توانند باعث اختلال در ترکیب آزئوتروپ شوند و فرایند تقطیر را بهبود ببخشند. بنابراین این ماده به صورت خالص و در غلظت های بالاتر معمولا حاوی ناخالصی هایی مانند بنزن است. اتانول خالص هیگروسکوپیک است و (آب را جذب می کند ) بنابراین بعد از مدتی که از آن استفاده می کنید، در صورتی که درپوش آن محکم نباشد غلظت آن تا حدودی کاهش می یابد.

دناتوره:

این محصول در این گرید حاوی ناخالصی هایی مانند متانول و ایزوپروپانول است.بنابراین این گرید برای مصارف خوراکی به هیچ عنوان مناسب نمی باشد. تولید کنندگان با افزودن این ناخالصی ها به ترکیب فوق از مالیات هایی که برای نوشیدنی های الکلی موجود می باشد معاف می گردند . در نتیجه قیمت کالا بسیار ارزانتر از نوع خالص می گردد.

اما این مواد برای چه کاربرد هایی مناسب هستند؟

در کاربرد های زیست مولکولی از الکل دناتوره استفاده نمی کنند. زیرا در این موارد به دلیل سر و کار داشتن با اسید نوکلئیک ، این ماده می تواند با ناخالصی های موجود در نوع دناتوره واکنش نشان دهد. بنابراین در این کاربرد ها از نوع غیر دناتوره و با غلظت های بالا معمولا استفاده می شود.

در کاربرد های پزشکی صرفه نظر از قیمت نهایی این الکل ، تنها چیزی که مهم است غلظت مورد استفاده می باشد. اتانول یک ماده ضد عفونی کننده موثر در غلظت های 70 تا 85 درصد است. بنابراین حتما در مصارف پزشکی این ترکیب را رقیق می نمایند تا بتواند تاثیر بیشتری بر روی پروتئین های میکروب داشته باشد و آن ها را از بین ببرد.

برای ساختن گرید 70 درصد لازم است تا 700 میلی لیتر از این ماده را با کمک آب به حجم یک لیتر برسانید.

خصوصیات فیزیکی و شیمیایی

46.07وزن مولکولی
0.789وزن مخصوص
-112نقطه ذوب (درجه سانتی‌گراد)
78.4نقطه جوش (درجه سانتی‌گراد)
نامحدودwaterانحلال‌پذیری در 100 قسمت
alcohol
نامحدودether

           

دانسیته

دانسیته محلول‌های آبی اتانول (اتیا الکل) در ترکیب درصدهای مختلف و دماهای مختلف در جدول زیر آورده شده است.

دانسیته محلول‌های آبی اتانول

 

روش‌ تولید اتانول

این ماده بر خلاف بیشتر الکل‌ها، عمدتا از مواد اولیه زیستی با منشا قندی و نشاسته‌ای و یا سلولزی تولید می‌گردد. تولید بیو اتانول از مواد اولیه پتروشیمیایی (اتیلن و یا گاز سنتز) نیز امکان پذیر است، امروزه درصد بسیار کمی از تولید جهانی این ماده (کمتر از 5 درصد) از مواد اولیه غیرزیستی صورت می‌پذیرد.

البته همین درصد اندک هم با روندی کاهشی همراه است. امروزه با توجه به منابع اولیه تولید و فناوری تولید آن‌ها چهار نسل از بیواتانول قابل تعریف است. نسل اول از مواد قندی نظیر ملاس، چغندر و نیشکر یا مواد اولیه نشاسته‌ای نظیر غلات، سیب زمینی و کاساوا، که عمدتا مواد غذایی به شمار می‌آیند، است. بیواتانول تولیدی از ضایعات گیاهی و کشاورزی لیگنوسلولوزی، نسل دوم بوده که منبع فراوان و مفیدی به نظر می‌رسد. استفاده از جلبک‌ها نیز نسل سوم نامیده می‌شود. اصلاح و مهندسی مواد اولیه ومیکروارگانیسم‌های تخمیرکننده نیز نسل چهار می‌شود.

1-4) بیواتانول نسل اول:

تولید اتانول از منابعی همچون نیشکر، نشاسته، ذرت، ملاس، چربی حیوانی، روغن سبزیجات که منابع غذایی به شمار می‌آیند، به عنوان نسل اول سوخت زیستی شناخته می‌شوند. اما عمدتا از نیشکر، ذرت یا ملاس استفاده می‌شود و در سطح جهان، نیشکر و ذرت به ترتیب تولید کننده 21 و 60 میلیون مترمکعب اتانول هستند. استخراج قند از این منابع و مورد استفاده قرار دادن آن‌ها، به ترتیب شامل فرآیند مکانیکی پیش تیمار خرد کردن و آسیاب کردن، هیدرولیز آنزیمی و تخمیر و تولید این ماده و جداسازی آن از محصولات طی فرآیندهای تقطیر و آب‌زدایی انجام می‌گیرد. ۹۰% بازار تولیدی این ماده در آمریکا است. در سال ۲۰۱۷، ۲۱۱ کارخانه در آمریکا به‌طور متوسط، حدود ۲۹۰،۰۰۰ مترمکعب در سال از ذرت (۹۵.۸ %) و دیگر منابع نشاسته ­ای، محصول فوق را تولید نمود.

تولید اتانول از ذرت 1

تفاوت قابل ‌توجه بین فرآیندهای با منابع اولیه مختلف نشاسته و قند، وجود یک مرحله هیدرولیز نشاسته به گلوکز برای مخمر است. چرا که اغلب میکروارگانیسم­ها قادر به جذب نشاسته پلیمری به ‌طور مستقیم نیستند. برای مثال، مخمر ساکارومایسس سرویزیه قادر به مصرف مستقیم نشاسته نبوده اما دی­ساکارید ساکارز را به کمک آنزیم می­تواند جذب کند. مخمرهای آمیلاتیک نیز وجود دارند که مستقیماً نشاسته را مصرف می­کنند، اما صرفه اقتصادی نداشته و قدرت تحمل کمتری نسبت به وجود این ماده در محیط کشت دارند.

2-4) نسل دوم

نسل دوم سوخت زیستی، غالباً از زیست‌توده‌های لیگنوسلولزی به عنوان منبعی ارزان­ و فراوان در طبیعت مشکل می­شود. این زیست توده­ ها تداخلی با مواد غذایی ندارند. زیست‌توده‌های لیگنوسلولزی در شکل‌های مختلف علف، پسماند جنگل و ضایعات کشاورزی (باگاس، ضایعات محصولات دانه دار یا موز و پوسته و ساقه­ ی برنج و…) یافت می­شوند. در استفاده از هر منبع چالش­هایی بر سر مراحل مختلف تولید همچون پیش ­تیمار و تخمیر، با هدف تولید ارزان و پایدار وجود دارد تولید این نسل، پتانسیل بالایی دارد. پیش‌بینی می­شود که تنها ۱۰ درصد از پسماندهای جهانی می‌تواند حدود ۵۰ درصد کل سوخت زیستی را برآورده کند.

  • ویژگی های نسل دوم

نسل دوم برخلاف نسل اول، منبع غیرخوراکی الکل اتانول  است که و محدودیت مصرف ندارد. البته منابع بسیار ضایعات کشاورزی، هنوز چالش­هایی بر سر تجاری­ سازی این ایده وجود دارد. ساختار بلوری سلولز و ترکیبات ناهمگن همی ­سلولز در زیست‌توده‌های لیگنوسلولزی نیازمند پیش­تیمار شیمیایی یا فیزیکی بر پایه فرآیند آنزیمی بوده که هزینه فرآیند کلی را افزایش داده و به‌عنوان مانعی در توسعه­ ی این نسل عمل می­کند. استفاده از این منابع کمترین ضرری برای محیط ­زیست نداشته و رقابتی با تهیه مواد غذایی نیز ندارد. اما تولید در مقیاس بالاتر این نسل با موانعی روبرو است. این امر ناشی از هزینه بالا و بازده پایین تبدیل خوراک به اتانول است که عمدتاً ناشی از وجود لیگنین در ترکیبات این منابع می­باشد. مشکل دیگر نیاز به فنّاوری و امکانات پیشرفته برای کمک به فرآیند می­باشد.

به ­طور گسترده، تبدیل منابع لیگنوسلولزی به اتانول، به دو روش بیوشیمیایی و ترموشیمیایی قابل انجام است. در روش بیوشیمیایی، با استفاده از آنزیم­ها تبدیل توده سلولی به اتانول انجام‌شده و شامل چهار مرحله: پیش­تیمار فیزیکی-شیمیایی، هیدرولیز آنزیمی پلیمرهای قندی به واحدهای سازنده، تخمیر واحدهای قندی با استفاده از میکروارگانیسم­هایی نظیر ساکارومایسس سرویزیه، زایموموناس موبیلیس یا Clostridium ljungdahlii و درنهایت تقطیر است. در روش ترموشیمیایی، ماده اولیه تحت گرمای بالا قرارگرفته تا گازهای کربن مونوکسید، هیدروژن و کربن‌دی‌اکسید تولید شود. در مراحل بعد، این گازها توسط کاتالیزورهای شیمیایی مانند مولیبدنیم ­دی­ سولفات تبدیل به محصول فوق می­شوند.

3-4) نسل سوم

نسل سوم بیواتانول بر استفاده از ارگانیسم­های دریایی مانند جلبک (به عنوان منبع توده سلولی)، متمرکز شده است. جلبک به دلیل دارا بودن محتویات چربی و کربوهیدرات بالا، کشت آسان به‌طور گسترده در محیط آبی، نیاز به محیط کمتر به ازای مصرف کربن دی‌اکسید بیشتر، گزینه­ ی مناسبی به نظر می­رسد. ماکزیمم تولید توده سلولی جلبک 365 تن وزن خشک به ازای هکتار در سال است. بهترین مزیت جلبک، کم بودن مقدار لیگنین و همی­ سلولز درفریند تولید اتانول است.

در حالی که استفاده از این نسل در گام­های اولیه خود باقی­مانده است. جلبک با پتانسیل بالا، به‌عنوان توده سلولی برای تولید نسل سوم بیواتانول می­تواند مستقیماً تبدیل به انرژی شود. عموماً استفاده از این مواد اولیه برای تولید بیواتانول بستگی به فاکتورهایی نظیر فنّاوری و محیط آبی برای پرورش جلبک خواهد داشت. از مزایای آن می­توان به عدم تداخل با منابع غذایی، رشد آسان، کم هزینه، محتوای چربی و کربوهیدرات بالا و منبع انرژی اشاره کرد. نام برخی از آن­ها عبارتند از Chaetocero scalcitrans، Isochrysisgal bana، Nanochloropsis sp.، Schizochytrium limacinum، Chlorella species، Scenedesmus و Botryococcus braunni که به‌عنوان مواد اولیه برای تولید سوخت به شمار می ­آیند.

4-4) نسل چهارم:

نسل چهارم یک زمینه نوظهور در راستای تولید سوخت زیستی است. نسبت به نسل­های قبل از برخی جنبه­ ها برتری دارد. در این فناوری، مواد اولیه با جذب CO2 همراه می­باشد. این امر شامل طراحی و مهندسی مواد اولیه، دستگاه­ها و سیستم­های بیولوژیکی است. هدف اصلی این نسل، تولید انرژی پایدار به همراه جذب CO2 است. در این نسل، از مواد اولیه اصلاح ژنتیکی شده، با مصرف بالای کربن دی‌اکسید استفاده شده است. تعدادی از جلبک­ها نظیر Botryococcus braunni، Schizochytrium، Chlorella وScenedesmus  موارد مناسب برای مواد اولیه هستند. میکروارگانسیم­های اصلاح ژنتیکی شده با تولید بالای سوخت زیستی، مانند Bacillus anthracis، B. subtilis، Acinetobacter calcoacetius و Arthrobacter sp نیز، به‌عنوان گزینه­ های مناسب تولیدکننده­ ی بیو اتانول نسل چهرم هستند.

 

مراجع:

Ferreira, J. A., Brancoli, P., Agnihotri, S., Bolton, K., Taherzadeh, M. J., Ferreira, A. J. A., … Taherzadeh, M. J. (2018). A review of integration strategies of lignocelluloses and other wastes in 1st generation … processes. Process Biochemistry, 75, 173–186. https://doi.org/10.1016/j.procbio.2018.09.006

Prasad, R. K., Chatterjee, S., Mazumder, P. B., Gupta, S. K., Sharma, S., Vairale, M. G., … Behari, P. (2019)…. production from waste lignocelluloses: A review on microbial degradation potential. Chemosphere, 231, 588–606. doi.org/10.1016/j.chemosphere.2019.05.142 

https://www.assignmentpoint.com/science/chemistry/uses-of-e…html

www.epasa.org.za/…/applications.html

Gelling, C., & Lee. (2012, June 13). Which Type of Ethanol Should I Use? Retrieved February 29, 2020, from https://bitesizebio.com/13518/which-type-of-ethanol-should-i-use/
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK513254/

محصولات مرتبط :

متانول

موسسه ی مبتکران شیمی

0/5 (0 Reviews)

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *