Odpowiedź na tak postawione pytanie wydaje się oczywista i brzmi: „U szwagra!”. No to porozmawiajmy trochę o tym, co się pędzi, w jaki sposób, i o tym, dlaczego spirytus jest „rektyfikowany” a nie „reaktyfikowany” czy „reaktywowany”.
Ludzie mają to do siebie, że bardzo lubią eksperymentować i dość szybko nauczyli się, że w wyniku spontanicznej fermentacji cukrów zawartych w owocach czy zbożach powstaje coś, co zmienia stan świadomości, i równie szybko zaczęli się zastanawiać, czy tego czegoś, tj. etanolu, nie da się jakoś oddzielić od reszty składników i zanieczyszczeń. Wielokrotna filtracja nic nie dawała – na koniec zostawała ciecz, której nie dało się już rozdzielić bardziej w ten sposób. Ludzka dociekliwość znalazła rozwiązanie tej kwestii, a właściwie to nawet dwa i to jeszcze w czasach oznaczanych skrótem „p.n.e” 🙂
Pierwsze z nich ma rodowód w Państwie Środka i eksperymentach prowadzonych przez taoistycznych alchemików. Zauważyli oni, że gdy próbować taką ciecz zamrozić, to różne jej frakcje zamarzają stopniowo i w różnych temperaturach. Metoda ta jest stosowana do dziś i jest znana jako wymrażanie frakcyjne. O ile ma podstawy fizyczne i sprawdza się przy rozdzielaniu składników cieczy, to jest cokolwiek kłopotliwa, gdyby chcieć zastosować ją na większą skalę. Nic dziwnego, że o wiele szerszą popularność zdobyła metoda wynaleziona ok 3000 r. p.n.e w dolinie Indusu, która jest popularnie nazywana „pędzeniem”, a poprawnie „destylacją”. Sam proces jest w gruncie rzeczy odwrotnością poprzedniego, bo wykorzystuje to, że różne frakcje cieczy będą wrzeć w różnych temperaturach.
fot. domena publiczna
Destylować można na przykład w urządzeniu zwanym alembikiem, którego wynalezienie bywa przypisywane arabskiemu uczonemu szerzej znanemu w Europie pod imieniem Geber. Pogląd ten jest jednak podważany przez historyków twierdzących, że podobne urządzenia wykorzystywali Grecy już kilkaset lat przed wspomnianym Geberem. Biorąc pod uwagę prostotę konstrukcji, niewykluczone że alembik czy też inny rodzaj destylatora został wynaleziony przez różnych ludzi na przestrzeni wieków niezależnie od siebie.
Jak widać, taki alembik to w gruncie rzeczy ogrzewane naczynie, którym może być miedziany kocioł, garnek ze stali nierdzewnej, szklana kolba itp. Takie ogrzewanie doprowadzi do wrzenia cieczy, która zacznie parować. Te pary zbiera się za pomocą odpowiedniej nasadki lub głowicy. Następnie za pomocą odpowiednich rurek i połączeń są one kierowane do chłodnicy, gdzie ulegają skropleniu. Taka chłodnica może być osobnym pojemnikiem, w którym umieszcza się rurkę odpowiednio ukształtowaną np. w spiralę. Jeśli pojemnik jest wypełniony lodowatą wodą, to takie ukształtowanie sprawia, że opary mają dłuższy czas schładzania z uwagi na dłuższą drogę, którą muszą przebyć, co podnosi wydajność procesu. Inną możliwością jest umieszczenie w takim pojemniku dużej liczby rurek, co zwiększy powierzchnię, na której opary ulegają skraplaniu. Inna możliwość polega po prostu na umieszczeniu rurki skierowanej w dół pod strumień wody np. z kranu czy w warunkach polowych w górskim strumieniu. Skroplone opary trafiają zaś do naczynia zwanego odbieralnikiem. Jeśli posiadamy odpowiedni termometr oraz wiedzę o temperaturach wrzenia różnych substancji, to możemy w ten sposób odbierać różne składniki destylowanej mieszaniny.
Taki proces polegający na jednorazowym odparowaniu i skropleniu to oczywiście destylacja prosta. Czy wobec tego są inne, „nieproste”? Tak 🙂 Destylacją, którą każdy z was może przeprowadzić w domu bez ryzyka odpowiedzialności karnej i spowodowania eksplozji, jest destylacja z parą wodną. Była ona bardzo popularna w średniowieczu, gdy uzyskiwano w ten sposób różne preparaty lecznicze i perfumy. Jak się to robi? Należy w kolbie umieścić oprócz wody np. płatki kwiatów, z których chcemy uzyskać olejki eteryczne. Długotrwałe gotowanie spowoduje powstanie mieszaniny pary wodnej i innych lotnych substancji. Po skropleniu uzyskamy mieszaninę wody i pływających po jej wierzchu olejków, które łatwo oddzielić. Polecam poeksperymentować na własną rękę. Nie polecam za to eksperymentować na własną rękę z destylacją alkoholu, bo to grozi odpowiedzialnością karną i może skończyć się eksplozją.
Powstawanie alkoholu w mieszaninie zwanej popularnie „zacierem” jest związane z fermentacją okresową, za którą odpowiedzialne są drożdże – czy to dzikie, występujące na skórkach owoców lub w powietrzu, czy to dodawane oddzielnie. Po takiej fermentacji pozostaje jedynie oddzielić etanol od reszty składników czyli oddestylować go korzystając z tego, że jest bardziej lotny niż woda. Przy czym lotność substancji w tym kontekście oznacza niższą temperaturę wrzenia, która dla etanolu wynosi 78,3 °C a dla wody 100 °C. Prosta destylacja polegająca na jednorazowym odparowaniu i skropleniu pozwala uzyskać tzw. „spirytus surowy”, czyli ciecz zawierającą ok. 90% etanolu. Oczywiście można go destylować kolejny raz, ale jest to nieefektywne. A gdyby mieć szereg destylatorów, w którym każdy destyluje produkt poprzedniego? Taki proces istnieje, z tym że odbywa się nie w szeregu, a w kolumnie, i jest nazywany destylacją frakcyjną lub rektyfikacją.
Na czym polega taka rektyfikacja? Na zainstalowaniu na naczyniu, w którym podgrzewamy ciecz, dodatkowego elementu, czyli kolumny rektyfikacyjnej, która w sporym uproszczeniu wygląda tak:
Kolumna umieszczona na kolbie ma w swoim wnętrzu mnóstwo półek, wypustek lub kształtek. Pary opuszczające kolbę unoszą się ku górze przez kolumnę, na której szczycie trafiają do głowicy, która może zawierać tzw. deflegmator. Najprościej wyobrazić sobie to jako rurkę, przez którą przepływa zimna woda. Pary ulegną częściowemu skropleniu na jej powierzchni i pod wpływem grawitacji zostaną zawrócone do kolby lub na półkę kolumny rektyfikacyjnej. Łatwo zauważyć, że takie skroplone pary będą zawierały przewagę składnika mniej lotnego w stosunku do par opuszczających głowicę, co podnosi wydajność całego procesu i pozwala uzyskać spirytus rektyfikowany o mocy około 95%. A dlaczego nie 100%?
Winny temu jest układ! Konkretnie – układ termodynamiczny mieszaniny woda-etanol. Spójrzmy na wykres:
Etanol wrze we wspomnianych 78,3 °C a woda w 100 °C. Przypuśćmy więc, że chcemy przedestylować ciecz A zawierającą pewną ilość etanolu i pewną ilość wody. Ciecz taka wrze w temperaturz, którą łatwo wyznaczyć wg. „krzywej rosy”, i da nam parę o określonym składzie, która po skropleniu daje ciecz B, z którą można postąpić tak samo, aż dochodzimy do punktu, w którym krzywe oznaczające skład cieczy i pary się przecinają. Jest to tzw. punkt azeotropowy i oznacza, że nie da się uzyskać czystego etanolu z mieszaniny wody-etanol o zawartości etanolu poniżej 95%. Ta mieszanina wrze, jakby była czystą cieczą, i skroplenie jej par da nam ciecz wyjściową – takie błędne koło. Czy da się jakoś uzyskać czysty etanol? Tak, wystarczy dodać do takiej mieszaniny jeszcze jeden składnik, który utworzy mieszaninę wrzącą w niższej temperaturze niż poprzednia – w tym przypadku jest to benzen. Technika ta jest nazywana destylacją azeotropową.
Oprócz etanolu destyluje się jeszcze mnóstwo innych produktów, bez których nie wyobrażamy sobie życia: od parafiny poprzez perfumy po benzynę itp. Zachęcam do samodzielnego uzyskania kilku olejków eterycznych itp. z kwiatów i ziół.
c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem.
O, czy czysty, stuprocentowy etanol też ma (w temperaturze pokojowej) postać cieczy?
Tak, jest cieczą. Laik nie odróżni od spożywczego 95%. Chemik wyczuje ślady benzenu.
Jak weźmie do ust, to zauważy różnicę
Jak mówił pewien pan w mojej instytucji, który raczył się stuprocentowym etanolem, smak takiego trunku jest całkiem niezły, tylko odbija się benzyną:).
Tak, ale za żadne skarby nie próbuj tego pić.
Testowaliśmy na studiach (tak po 2 ml) – straszliwie higroskopijny.
Podziwiam Twoje poświęcenie dla nauki
Alkohol absolutny można też otrzymać dodając do spirytusu odpowiedni środek osuszający, a resztę raz jeszcze przedestylować.
Na skalę laboratoryjną – tak. Daje się CaO albo bezwodny siarczan magnezu/sodu. Na przemysłową raczej nie.
Pozyskiwałem w laboratorium etanol absolutny następującą metodą. Do spirytusu 99 % (tego z destylacji z benzenem, bo wbrew pozorom taka destylacja nie daje 100 % etanolu, trochę wody jednak przechodzi) dodawałem wiórki magnezu i przez pewien czas gotowałem pod chłodnicą zwrotną. Magnez z etanolem dawal etanolan magnezu, który natychmiast reagował z wodą (ilościowo) z powrotem na etanol i wodorotlenek magnezu. Potem wystarczyło oddestylować stuprocentowy etanol. Pewnie bardzo dokładna analiza wykazała by jakieś resztkowe ślady benzenu, ale w dalszym zastosowaniu tego etanolu to nie przeszkadzało.
Wymrażanie frakcyjne, w języku kolonistów z Nowej Anglii nazywane „jacking”, było podstawową, tanią i bardzo naturalną metodą uzyskiwania przez nich wysokoprocentowego alkoholu o nazwie „applejack”. Wystarczyło wyprodukowany jesienią cydr (a robiono go naprawdę dużo) pozostawić na zewnątrz i od czasu do czasu usunąć warstwę lodu z powierzchni płynu. Podobno nawet do 40% zawartości alkoholu (niestety poza etanolem także metanolu) w ten sposób dało się osiągnąć, choć nie wiem czy cierpliwość i wstrzemięźliwość producentów była wystarczająca 😉
Dodam jeszcze od siebie, że destylację można stosować też do oczyszczania alkoholu z różnych domieszek. Nie nadaje się do oczyszczania denaturatu z dodatków smakowych i zapachowych, ale pozwala na bardzo skuteczne usunięcie kwasu salicylowego ze spirytusu salicylowego.
To ja też może dodam, że ze spirytusem kamforowym to nie działa. 😉
no pewnie, ulatnia się jak kamfora