Трактат о приготовлении и дистилляции зерновых браг (СИ) - Плохих Михаил Иванович - Страница 1

Трактат

о приготовлении и дистилляции зерновых браг

Этиловый спирт

Этиловый спирт (C2H5OH), который называют еще винным спиртом или алкоголем, имеет температуру кипения 78,4 градуса, а расчетная плотность его при температуре 20 градусов по Цельсию составляет 0,8 г/см³.

Сферы применения этилового спирта определяются его свойствами. Он горюч, летуч, растворим, а также обладает антисептическими свойствами. Человечество использует его при производстве продуктов питания и напитков, парфюмерии и косметики, в медицине и фармацевтике и в других областях.

Этиловый спирт можно получить с помощью сбраживания пищевого сырья, гидролизом растительных материалов, а также гидратацией этилена. Нас же интересует метод сбраживания пищевого сырья или, другими словами, метод сбраживания простых сахаров дрожжами. Формула получение этилового спирта таким путем выглядит следующим образом:

C12H22O11+Н20 = 4C2H5OН+4СО2+ТЕПЛО

Если же эту формулу представить атомными массами, то мы получим следующее равенство:

342(сахар)+18(вода) = 184(этанол)+176(углекислота)

В итоге, из 342 единиц сахара и 18 единиц воды можно получить 184 единицы этанола. Коэффициент выхода получается 0,54. А учитывая плотность этанола и то, что максимально возможная концентрация этанола при перегонке составляет 96%, коэффициент выхода в миллилитрах составит 0,68. Таким образом, в идеальных условиях из одного килограмма сахара можно получить 680 миллилитров этилового спирта.

Самым простым сырьем для получение этилового спирта являются глюкоза или фруктоза. Но их можно заменить и сложными сахарами, например, крахмалом. Но его напрямую использовать нельзя, так как молекула крахмала не подходит для питания дрожжей.

Зато крахмал можно разложить на простые сахара под действием температуры и при участии фермента, называемого диастазой, состоящей из α- и β-амилаз, и декстриназой. Данные ферменты содержатся в ростках зерен.

Формула получения простого сахара из крахмала выглядит так:

C6H10O5 + H2O + ФЕРМЕНТЫ = C6 H12O6,

Если же эту формулу представить атомными массами, то мы получим следующее равенство:

162 (крахмал)+18 (вода) = 180 (сахар)

Получается, что для получения 1 кг сахара необходимо 0,9 кг крахмала. А учитывая, что, например, в пшенице доля крахмала составляет около 70%, для 1 получения 1 кг сахара необходимо около 1,3 кг пшеницы.

Так, вкратце, мы описали теоретическую основу получения этилового спирта из крахмалосодержащего сырья, а именно зерна. Теперь остановимся на некоторых вопросах подробнее.

О дрожжах и спиртовом растворе

Дрожжи - это большая группа одноклеточных грибов, которые при благоприятных условиях размножаются вегетативно, почкованием. Продуктом их жизнедеятельности, иными словами брожения, является, интересующий нас, этиловый спирт.

При наличии достаточного количества кислорода дрожжи, поглощая сахар, бурно размножаются и выделяют углекислый газ. Но если доступ к кислороду ограничить, то они начинают вырабатывать спирты, различные кислоты и масла, совокупность которых мы будем называть спиртовой смесью.

На брожение влияют несколько факторов.

Во-первых, это концентрация сахара в воде. Наиболее благоприятная концентрация для большинства дрожжей составляет от 10% до 15%. При более высоких концентрациях брожение останавливается, так как сахар в этом случае выступает уже как консервант. А при низких концентрациях брожение проходит медленно.

Во-вторых, это температура. Оптимальная температура для брожения дрожжей находится в диапазоне от 28 до 32 градусов по Цельсию. Более высокие температуры приводят к гибели дрожжей, а более низкие замедляют процесс брожения.

В-третьих, это кислотность среды. Оптимальной является кислая среда от 4,0 до 4,5 pH. Поэтому качество воды также занимает не последнее место.

В-четвертых, это количество накопившегося спирта. Чем выше концентрация спиртовой смеси, тем медленнее брожение. Это связано с тем, что спирты действуют на дрожжи угнетающе. Уровень концентрации спиртовой смеси, при котором прекращается их брожение, у различных видов дрожжей разный. Так, например, у хлебопекарных это 12%, а у спиртовых 17%.

В-пятых, это количество дрожжей. Дрожжи бывают как сухими, так и свежими. Поэтому чтобы получить необходимое количество дрожжей надо следовать прилагаемой к ним инструкции, где также указывается и правило из разведения.

Итак, соединив воду, сахар и дрожжи мы получаем брагу, а ограничив доступ кислорода дрожжи в браге начинают бродить. В итоге, в перебродившей браге содержится вода и спиртовая смесь.

Здесь мы подошли к вопросу - как извлечь из этой водно-спиртовой смеси этиловый спирт?

Так как вода кипит, а значит и конденсируется, при температуре большей чем этиловый спирт, то этиловый спирт можно выпарить из водно-спиртовой смеси и затем его сконденсировать. Этот процесс называется дистилляцией. А повторяя дистилляцию можно повысить и долю этилового спирта в водно-спиртовой смеси.

Этот процесс виден на графике кривой равновесия фаз для смеси чистый спирт/чистая вода. Нижний график - это жидкость, верхний график - это пар.

(тут был рисунок)

При содержании в жидкости 10% этилового спирта в паре его концентрация достигает 53%. Последующая конденсация дает водно-спиртовую смесь такой же концентрации.

В состав спиртовой смеси входит около 70 компонентов. В основном это этиловый спирт, и около 1% от общего объема занимают другие компоненты: низшие, средние и высшие спирты (наиболее опасный из них метанол), альдегиды (наиболее опасный из них фурфурол), кислоты и эфиры.

Все эти компоненты в зависимости от температуры кипения разделяются на три фракции: головная, основная и хвостовая. Так, например, метанол с температурой кипения 64,7 градуса входит в состав головной фракции, этанол с температурой кипения 78,4 градуса составляет основную фракцию, а фурфурол с температурой кипения 161,7 градусов входит в состав хвостовой фракции.

На первый взгляд, нагрев водно-спиртовую смесь до температуры до 78 градусов, мы извлечем головные фракции. Затем, чуть увеличив температуру, извлечем этиловый спирт. Но это не так. На самом деле главную роль играет способность вещества испаряться из смеси, а не температура его кипения. И при рассмотрении процесса дистилляции корректнее температуру кипения называть температурой конденсации.

Как видим из графика для извлечения этилового спирта придется нагревать водно-спиртовую смесь не до 78,4 градусов, а значительно выше, так как нужен пар для последующей его конденсации.

(тут был рисунок)

Так водно-спиртовую смесь с 15% содержанием спирта придется нагревать до температуры чуть ниже 100 градусов. Но в процессе испарения меняется количество оставшегося этилового спирта в смеси, и соответственно меняется способность испаряться у различных компонентов. Поэтому при дистилляции в разные моменты времени в паре будут присутствовать этиловый спирт, головные, и даже хвостовые фракции в различных концентрациях.

Из вышесказанного следует, что дистилляцией невозможно получить чистый этиловый спирт, а только водно-спиртовую смесь с различным уровнем примесей. И для снижения уровня примесей в дистилляте применяют метод многократной дробной перегонки.