Πώς αποστάζεται το ποτό

Ξέρουμε πώς να φτιάχνουμε οινοπνευματώδη ποτά (το συζητήσαμε εδώ) και ξέρουμε ότι για να φτιάξετε οινοπνευματώδη ποτά (ή οινοπνευματώδη ποτά) πρέπει να αποστάξετε δημητριακά που έχουν υποστεί ζύμωση. Ωστόσο, η απόσταξη δεν χρησιμοποιείται μόνο στην παραγωγή αλκοολούχων ποτών. Είναι μια από τις αγαπημένες διαδικασίες παραγωγής οποιουδήποτε χημικού μηχανικού, ιδανική για το διαχωρισμό όλων των ειδών εξαρτημάτων το ένα από το άλλο.

Η βιομηχανία πετρελαίου και φυσικού αερίου δεν μπορούσε χωρίς, ούτε η φαρμακευτική βιομηχανία και, φυσικά, οι κατασκευαστές ποτών. Η απόσταξη είναι μια τόσο θεμελιώδης διαδικασία σε τόσους πολλούς τομείς που δικαιολογεί τη δική της εξήγηση και βαθιά κατάδυση στο θέμα.

Γιατί απόσταξη; – Διαχωρισμός

Πριν καν βουτήξετε στο πώς λειτουργεί η απόσταξη, πρέπει να ξέρετε γιατί θα θέλατε να κάνετε απόσταξη. Η απόσταξη είναι μια από τις πολλές διαδικασίες διαχωρισμού, δηλαδή μια διαδικασία διαχωρισμού διαφορετικών τύπων μορίων από άλλα. Ένα άλλο παράδειγμα διαδικασίας διαχωρισμού είναι το φιλτράρισμα:χρησιμοποιείτε ένα φίλτρο για να διαχωρίσετε σωματίδια (π.χ. αλεσμένο καφέ) από το υγρό (ζεστό νερό που έχει διαρρεύσει μέσω αυτού του καφέ). Στην περίπτωση της απόσταξης θέλετε να διαχωρίσετε δύο υγρά (ή αέρια) το ένα από το άλλο, ειδικά εκείνα που αναμειγνύονται καλά και δεν θα διαχωρίζονται μόνο από μόνα τους (όπως το λάδι και το νερό). Κατά την απόσταξη δεν συμβαίνουν χημικές αντιδράσεις, το μόνο που συμβαίνει είναι διαχωρισμός. Ωστόσο, είναι ζωτικής σημασίας σε τόσες πολλές διαδικασίες.

Τι συμβαίνει κατά την απόσταξη

Όταν αποστάζετε ένα μείγμα από δύο υγρά (θα το κρατήσουμε σε δύο υγρά) για λόγους απλότητας) θερμαίνετε το μείγμα για να εξατμιστεί το ένα. Στη συνέχεια, συλλαμβάνετε αυτό το εξατμισμένο εξάρτημα σε ένα άλλο μέρος του εξοπλισμού σας, τον συμπυκνωτή. Με άλλα λόγια, χρησιμοποιείτε τις διαφορές τους στο σημείο βρασμού για να τα διαχωρίσετε το ένα από το άλλο. Ωστόσο, σχεδόν ποτέ δεν θα πετύχετε έναν πλήρη χωρισμό τόσο εύκολα. Συχνά, χρειάζεστε πολλά βήματα και ακόμη και τότε δεν θα μπορείτε να τα διαχωρίσετε εντελώς (όπως συμβαίνει με το νερό και το αλκοόλ).

Μερική θεωρία – Ισορροπίες υγρασίας/αερίου

Για να εξηγήσουμε σωστά πώς λειτουργεί η απόσταξη, πρέπει πρώτα να καλύψουμε κάποια θερμοδυναμική θεωρία.

Φανταστείτε ότι έχετε ένα κλειστό δοχείο με νερό σε θερμοκρασία δωματίου. Σχεδόν όλο το νερό σας θα είναι υγρό. Ωστόσο, ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου, μέρος αυτού του νερού θα υπάρχει ως αέριο, που επιπλέει πάνω από το υγρό. Παρόλο που δεν μπορείτε να το δείτε αυτό. Αυτό διέπεται από θερμοδυναμικά φαινόμενα.

Ένας καλός τρόπος για να το οπτικοποιήσετε είναι να πάρετε αυτό το δοχείο και να το τοποθετήσετε δίπλα σε μια θερμάστρα σε ένα κατά τα άλλα κρύο δωμάτιο. Μπορεί να παρατηρήσετε ότι μερικές σταγόνες νερού σχηματίζονται στο κάτω μέρος του καπακιού αυτού του δοχείου. Μέρος του αερίου αγγίζει το ψυχρό κάλυμμα που προκάλεσε τη συμπύκνωση. Είναι επίσης ο λόγος που με την πάροδο του χρόνου, αν αφήσετε το καπάκι από το δοχείο σας, το δοχείο θα στεγνώσει, όλο το νερό θα έχει εξατμιστεί και εξαφανιστεί.

Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία σε αυτό το δοχείο τόσο περισσότερο από αυτό το υγρό θα είναι αέριο και θα επιπλέει πάνω από το νερό. Όταν το θερμάνετε ακόμη περισσότερο μέχρι το σημείο βρασμού, όλο το υγρό θα αρχίσει να εξατμίζεται και θα μετατρέπεται σε αέριο.

Περισσότερη θεωρία – ο νόμος του Raoult

Όμως, στην απόσταξη δεν έχουμε ένα συστατικό, έχουμε ένα μείγμα τουλάχιστον δύο ενώσεων. Σε μια ιδανική περίπτωση, ο νόμος του Raoult περιγράφει ποια είναι η σύνθεση αυτού που επιπλέει πάνω από το υγρό. Γιατί, στις περισσότερες περιπτώσεις, αυτή η περίπτωση θα είναι ένα μείγμα των δύο διαφορετικών μορίων! Ο νόμος του Raoult περιγράφει έναν τρόπο υπολογισμού του % των μορίων υγρού έναντι αερίου για κάθε συστατικό του μείγματος. Όταν γνωρίζετε το κλάσμα καθενός από τα δύο συστατικά του αρχικού υγρού μείγματος (π.χ. 50:50), μπορείτε να χρησιμοποιήσετε αυτόν τον νόμο για να υπολογίσετε τη σύνθεση του αερίου που επιπλέει πάνω από αυτό το μείγμα. Μια σημαντική ιδέα αυτού του νόμου είναι ότι η σύνθεση του αερίου πάνω από ένα μείγμα θα είναι τις περισσότερες φορές ίδια με τη σύνθεση του υγρού. να μην είναι καθαρά ή να μην υπάρχουν μόνο από ένα συστατικό. Επίσης, εξηγεί ότι οι διαφορές στο σημείο βρασμού θα οδηγήσουν σε διαφορά στην ευκολία εξάτμισης.

Μείγμα αλκοόλης και νερού

Ας δούμε λοιπόν τώρα το μείγμα των δύο υγρών μας. Θα χρησιμοποιήσουμε ένα κοινό παράδειγμα στη βιομηχανία ποτών:αλκοόλ (αιθανόλη) και νερό. Το νερό έχει σημείο βρασμού 100 C (212 F) ενώ το αλκοόλ έχει σημείο βρασμού μόνο περίπου. 78C (172F). Επειδή το αλκοόλ έχει χαμηλότερο σημείο βρασμού εξατμίζεται πιο εύκολα. Ως αποτέλεσμα, ο νόμος του Raoult θα σας πει ότι το αέριο πάνω από το μείγμα θα περιέχει υψηλότερο ποσοστό αλκοόλ από το υγρό μείγμα. Κατά την απόσταξη χρησιμοποιούμε αυτό το φαινόμενο για να διαχωρίσουμε τα δύο υγρά μας.

Οινόπνευμα και νερό θέρμανσης

Κατά την απόσταξη θερμαίνετε το μείγμα των υγρών σας (νερό + αλκοόλ). Ως αποτέλεσμα, μέρος των υγρών θα εξατμιστεί. Αυτό το αέριο είναι ένα μείγμα των δύο συστατικών, αλλά θα περιέχει περισσότερο από το συστατικό με το χαμηλότερο σημείο βρασμού (οινόπνευμα στην περίπτωσή μας).

Αυτό το αέριο στη συνέχεια μετακινείται σε μια άλλη περιοχή, τον συμπυκνωτή. Αυτή η ζώνη είναι ψυχρότερη και ως αποτέλεσμα το αέριο επιστρέφει πίσω σε ένα υγρό. Αυτό το νέο υγρό θα περιέχει τώρα πολύ περισσότερο αλκοόλ από το αρχικό υγρό. Αυτή είναι η απλούστερη διαδικασία απόσταξης ενός σταδίου.

Απόσταξη πολλαπλών σταδίων

Στις περισσότερες περιπτώσεις, ωστόσο, ένας χωρισμός με ένα βήμα δεν θα είναι αρκετά καλός. Στην περίπτωση των οινοπνευματωδών ποτών, μπορεί να μην έχουμε ακόμη αρκετό αλκοόλ και η περιεκτικότητα σε νερό μπορεί να είναι ακόμα πολύ υψηλή. Επομένως, πολλές διεργασίες απόσταξης αποτελούνται από διάφορα στάδια ή στάδια. Σε κάθε στάδιο παίρνετε λίγο περισσότερο από το συστατικό με χαμηλότερο σημείο βρασμού.

Ανάμεσα σε αυτά τα στάδια μπορεί να συμπυκνώσετε το μείγμα σας, αλλά στις περισσότερες περιπτώσεις τα στάδια χωρίζονται από διαφορετικούς «δίσκους» σε έναν μεγάλο πύργο απόσταξης. Οι δίσκοι στοιβάζονται ο ένας πάνω από τον άλλο και σε κάθε επίπεδο δίσκου υπάρχει μια ελαφρώς διαφορετική θερμοκρασία. Είναι πιο ζεστό στο κάτω μέρος και πιο κρύο στην κορυφή. Τα αέρια ταξιδεύουν προς τα πάνω μέσα από τους δίσκους ενώ τα υγρά προς τα κάτω. Δεδομένου ότι σε κάθε δίσκο η θερμοκρασία είναι ελαφρώς διαφορετική, η ισορροπία αιθανόλης:νερού θα αλλάξει με κάθε δίσκο. Στην κορυφή του πύργου θα έχετε την υψηλότερη συγκέντρωση αλκοόλ ενώ στο κάτω μέρος υπάρχει περισσότερο νερό. Στα μεγάλα βιομηχανικά συγκροτήματα αυτή είναι μια συνεχής συνεχής διαδικασία με συνεχή ανανέωση του αρχικού μείγματος και απομάκρυνση των υπόλοιπων ροών.

Πηγές

Katzen, R., et al., Ethanol distillation:the fundamentals, κεφάλαιο 18, σύνδεσμος; για όσους θα ήθελαν πραγματικά να κατανοήσουν την απόσταξη αιθανόλης/νερού

Ο νόμος του Raoult για την απόσταξη, σύνδεσμος