اتانول

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 اتانول صنعتی بیشتر پرداخته شده است و با خواص (فرمول شیمیایی،دانسیته و…) و کاربرد های آن بیشتر آشنا خواهیم شد.

خواص و ویژگی های اتانول

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.

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.

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.

کاربرد اتانول چیست؟

شاید بهترین راه پاسخ به این سوال که اتانول چیست و چه ویژگی هایی دارد بررسی کاربردهای این ماده باشد.در ادامه به صورت شماتیک مهمترین کاربردهای این ماده را مشاهده می نمایید.

کاربرد در صنایع بهداشتی و آرایشی

اتانول در از بین بردن ویروس ها و باکتری ها موثر عمل می کند بنابراین می توان از آن در پزشکی و تولید محصولات بهداشتی و آرایشی به جهت ضد عفونی استفاده نمود،مکانیزم اثر بخشی آن نیز به این صورت است که پروتئین و چربی موجود در ارگانسیم ها را از می برد و فرآیند ضد عفونی انجام می شود.

کاربرد در داروسازی

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

کاربرد در صنایع غذایی

اتانول در فرمولاسیون مواد غذایی جهت حل شدن بهتر و یکنواخت اسانس ها در آب و استخراج طعم‌ها اضافه می شود تا یک مخلوط همگن شفاف ایجاد کند. این الکل به عنوان یک نگهدارنده مناسب جهت تثبیت محصول و محافظت از آن در برابر آلودگی میکروبی کمک می کند و در محصول نهایی اثری از الکل نخواهد بود.

افرادی برای صرفه جویی در هزینه ها از متانول به جای اتانول در صنایع غذایی استفاده می کنند. متانول برای انسان بسیار سمی است و تشخیص آن برای افزایش ایمنی از اهمیت بالایی برخوردار است. برای تشخیص متانول از روش کروماتوگرافی گازی استفاده می شود که بالاترین میزان دقت را دارد.

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

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.

خاصیت ضد عفونی کنندگی :

بیشتر محلول ها و ژل های ضد عفونی کننده دست حاوی الکل هایی از قبیل ایزوبوتانول،اتانول و… می باشد که گاها می توان آنها را با یکدیگر ترکیب کرد.همانطور که پیشتر نیز گفته شد این محصولات از طریق هدف قرار دادن پروتئین موجود در ویروس ها، میکروب ها و سایر عوامل خارجی آنها را از بین می برند.نکته ای که اغلب در خصوص آن اشتباه می کنند این است که عدم رعایت تناسب 60 تا 95 درصدی نسبت اتانول به آب باعث کاهش اثر بخشی محصول نهایی خواهد شد. درصد مذکور عمدتا به صورت حجمی بیان می شود.

رعایت نسبت های گفته شده در تهیه الکل ها رابطه مستقیم با قدرت ضد عفونی کنندگی محصول نهایی دارد، مخلوط کردن الکل ها نیز باعث افزایش اثر ضد باکتریایی خواهد شد. از آنجایی که استفاده از محلول های حاوی الکل های بالا باعث خشکی پوست می شود می توان برای رفع این موضوع اندکی گلیسیرین یا آلوئه ورا به محصول مورد نظر اضافه نمود.

گریدهای مختلف اتانول

موارد مصرف و کاربردهای اتانول رابطه مستقیم با غلظت آن دارد که رایج ترین غلظت های این ماده به شرح زیر است

اتانول 95 درصد

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.

اتانول 99-100 درصد

یکی از روش های مهم تولید اتانول مطلق 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 خشک، 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. این محصول به دلیل غلظت بالا در برخی آزمایش های ، صنعت دارویی و آرایشی مورد استفاده است.

اتانول 70 درصد یا دنوتاره

این محصول در این گرید حاوی ناخالصی هایی مانند متانول و ایزوپروپانول است. این گرید الکل برای ضد عفونی مناسب است این محصول انعقاد و تغییر شکل در  سلولی منجر به نابودی میکروب ها می شود. 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.

بررسی ویژگی های بیو اتانول

بیو اتانول چهار نسل داشته که در ادامه به صورت مفصل به بررسی هریک پرداخته ایم

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.

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.

نسل دوم

نسل دوم سوخت زیستی، غالباً از زیست‌توده‌های لیگنوسلولزی به عنوان منبعی ارزان­ و فراوان در طبیعت مشکل می شود. 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 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 میکروارگانیسم هایی نظیر ساکارومایسس سرویزیه، زایموموناس موبیلیس یا Clostridium ljungdahlii و درنهایت تقطیر است.  روش ترموشیمیایی به این صورت است که، 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.

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 درفرایند 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.

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 چهارم هستند.