sbornik_lab_po_TOT

141

Принципиальная схема простого дистиллятора представлена на рис.1. Дистиллятор состоит из испарительной ёмкости - куба 1 и конденсатораохладителя 4, которые соединены между собой наклонным патрубком. Куб заполнен перерабатываемой жидкостью 2, нагрев и испарение которой осуществляется нагревателем 3. Через конденсатор-охладитель постоянно протекает охлаждающая вода (показана стрелками). Для удобства работы с дистиллятором в верти-

кальной части патрубка может быть установлен термометр 7, который регистрирует температуру паров, направляющихся на конденсацию.

8. Работа аппарата простой перегонки

Дистиллятор работает следующим образом. С' помощью нагревателя кубовая жидкость доводится до кипения. Образовавшийся в кубе пар по патрубку попадает в конденсатор-охладитель, где происходит его конденсация и охлаждение. Полученный дистиллят 6 стекает в приёмную ёмкость 5.

Что касается дистилляции спирта, то при работе этого устройства процесс получения дистиллята, в основном, соответствует приведенной ниже (п.11.3)

кривой фазового равновесия (рис.4). Причём в начальный период, когда концентрация спирта в растворе максимальна (10...12%), максимальна и концентрация спирта в парах, а следовательно, и в его дистилляте (42...45%). Однако бражка не является бинарной смесью воды и спирта, а содержит большое количество попутных примесей, каждая из которых имеет меньшую и большую температуру кипения по отношению к водно-спиртовой смеси.

Температура паров водно-спиртовой смеси, проходящей в этот период по патрубку, составляет величину порядка 90...94°С, однако

142

легкокипящие примеси (эфиры, ацетоны, альдегиды, метиловый спирт и др.), испаряющиеся, в основном, именно на этом этапе, снижают теоретическую температуру первоначального пара до 65...75°С. Увеличенная концентрация легкокипящих примесей (их плотность меньше плотности спирта) в первоначальном дистилляте 'искажает показания спиртомера в большую сторону, создавая иллюзию повышенной «крепости». Часто первую порцию дистиллята, полученную из бражки, называют «первачом» и считают наиболее крепкой и чистой порцией самогона.

В действительности это не концентрированный спирт, а водно-

спиртовая смесь с повышенной концентрацией «отравы».

На следующем этапе перегонки изменение температуры в большей степени соответствует теории. Используя показания термометра 7 и пользуясь графиком рис.3, можно всегда знать концентрацию паров спирта, идущих на конденсацию.

Постепенно концентрация спирта в кубе уменьшается, соответственно уменьшается и его концентрация в дистилляте, что отмечается увеличением температуры на термометре. Если температура достигла 100°С, то это означает, что спирт в кубовой жидкости полностью испарился, и из куба испаряется только вода. Несмотря на то, что вблизи нулевой точки (рис.4) концентрация спирта в парах в 8 раз больше его концентрации в жидкости, процесс перегонки обычно за-

вершают при температуре пара 97...98°С. Это связано с тем, что с этого момента начинается более интенсивное испарение сивушных масел и других «хвостовых» примесей.

Средняя концентрация спирта в дистилляте (типичном самогоне), получаемом из бражки с помощью аппаратов простой перегонки, обычно не превышает 40%. Типовой график изменения температуры по времени при простой дистилляции схематично представлен на рис.2.

Можно повторно провести перегонку уже 40%-ного дистиллята и получить более концентрированный (приблизительно 60%-ный) раствор спирта (см. рис.4). Затем можно многократно повторять этот процесс до получения 90...94%-ной концентрации спирта в дистилляте. Однако стоит сразу обратить Ваше внимание на то, что полученный таким образом «спирт» будет содержать все примеси, изначально содержащиеся в бражке. Это означает, что после разбавления такого «спирта» водой до 40%-ной крепости Вы получите все тот же «самогон», что и после первой перегонки.

Известен способ так называемой «дробной перегонки», позволяющий получить спирт приемлемого качества. Способ требует применения громоздкого и неудобного в работе оборудования, весьма значительных затрат времени, энергии, сопровождается существенными потерями спирта вместе с отходами производства.

Единственный способ, позволяющий получить высококачественный спирт при минимальных затратах труда, времени и энергии - использование процесса ректификации. С появлением профессионального ректификационного оборудования малой производительности фирмы ООО

«ИЗОБРЕТАТЕЛЬ» этот способ стал доступным и осуществимым даже в домашних условиях.

143

9. Влияние качества сброженного сырья на состав спирта-сырца

Сырой спирт (или спирт-сырец), получаемый после перегонки бражки, помимо этилового спирта, содержит примеси, являющиеся побочными продуктами как нормального спиртового брожения (альдегиды и сивушные масла), так и продуктами брожения других типов (как, например, летучие кислоты). Кроме того, в спирте-сырце имеются вещества, образующиеся в процессе перегонки бражки в результате химических реакций.

Основные виды примесей приведены в табл. 7.

Таблица 7

Примеси спирта-сырца ________

Примеси спирта-сырца делят на четыре группы: эфиры, альдегиды, кислоты и высшие спирты; в каждый класс, в свою очередь, входит ряд веществ. Исследованием различных сортов спирта-сырца было установлено присутствие в нём свыше сорока веществ. Одни вещества находятся в спир- те-сырце в минимальном количестве, другие - присущи только некоторым особым родам его, третьи - по химическому составу и свойствам близки к примесям, преобладающим в, данном спирте-сырце, четвёртые - легко выделяются при перегонке.

Сырой спирт, поступающий на ректификацию для очистки, тем легче очищается, чем меньше в нём примесей, или, как говорят, чем выше его ректификационное достоинство.

144

С этой точки зрения полезно выяснить происхождение примесей сырого спирта.

1)Часть примесей сырого спирта обуславливается качеством сырого материала для получения спирта. Любой технорук спиртового завода и ректификатор могут легко отличить сырой картофельный спирт от хлебного, который содержит терпены, придающие ему особый жгучий вкус, не свойственный картофельному. Легко отличить сырой хлебно-картофельный спирт от сырого паточного, который содержит неприятные на вкус и запах азотистые вещества -продукты, получаемые при переработке свёклы на сахарном заводе.

2)Часть примесей сырого спирта обуславливается способом переработки сырья, из которого получается спирт-сырец. Известно, что сырой кукурузный спирт, полученный при варке кукурузы под высоким давлением, имеет гораздо более

неприятный вкус, запах и труднее поддается ректификации, чем такой же спирт, полученный при затирании муки без давления.

Большое влияние на дегустационные особенности и химический состав спирта оказывают плохо отбродившие и зараженные заторы. В этом случае спирт получается хуже, чем из хорошо отбродивших заторов. Пенистое брожение плохо влияет на качество спирта.

Заторы, выделяющие сероводород, дают спирт худшего качества: однако не обнаружено, чтобы этот спирт, поскольку он не был выкурен из гнилого картофеля, имел плохой вкус и запах.

3)Нездоровые, ненормальные примеси оказывают огромное влияние на качество сырого спирта, значительно ухудшая его. Спирт, полученный из картофеля, подвергшегося гниению, оказывается плохим, часто с отвратительными вку-

совыми и ароматическими свойствами. Невысокого качества спирт получится из промёрзшего, а затем оттаявшего картофеля. Спирт, полученный из картофеля, пораженного

картофельным раком, относится к неудовлетворительным как по дегустационным свойствам, так и по своему химическому составу. При переработке тухлой муки,

порченой ржи, овса и пшеницы продукты разложения белков, жиров и пр. переходят из примесей в сырой спирт, и его ректификация значительно затрудняется. Технорук

спиртового завода должен быть осторожен с переработкой горелых хлебов. Запах гари сообщается и сырому спирту, трудно отделяющемуся при ректификации.

смеси с нормальным здоровым хлебом.

Следует также обращать внимание на засорения и примеси в перерабатываемом зерне. Так, например, примесь к зерну горчичного семени сообщает сырому спирту резкий, неприятный запах.

4)Самая большая часть примесей сырого спирта, так называемые сивуш-

ные масла, состоящие из амилового спирта и его гомологов, как показали работы многих

ученых, образуется из белковых и других азотистых веществ затора вследствие разложения их дрожжами при своей жизнедеятельности.

Чем больше дрожжевых клеток имеется в бродящем заторе, тем выше содержание амилового спирта в сыром спирте.

Как известно, технорук спиртового завода для понижения потерь сахара должен работать с очень небольшим количеством дрожжей. Эго полезно также и с точки зрения получения высокой чистоты спирта. Спиртовые заводы, перерабатывающие патоку с продуванием воздуха, при котором происходит усиленное размножение дрожжей в заторе, получают сырой спирт худшего качества, с большим содержанием сивушных масел, чем паточные заводы, работающие без продувания воздуха.

5)Часть сивушных масел сырого спирта образуется вследствие действия некоторых бактерий. С этой точки зрения чистота на заводе, чистота солода, ведение чистого брожения имеют огромное значение. Рекомендуется вести брожение в бродильных чанах, имеющих плотную и гладкую поверхность стенок, затрудняющую оседание и проникновение в их поры микроорганизмов,

инфицирующих затор. Лучше всего в этом случае применить герметически закрытые ёмкости.

6)Альдегиды, наиболее трудно отделяемые примеси сырого спирта, образуются при брожении как первоначальный нормальный продукт разложения сахара, который потом переходит в окончательный продукт - спирт.

Образование альдегидов также возможно вследствие окисления алкоголя, имеющегося в бражке, кислородом воздуха: чем выше температура брожения, тем больше образуется альдегидов.

Вотличие от заводов, работающих по технологии без продувания воздуха, паточные спиртовые заводы, ведущие брожение с проведением воздуха, получают сырой спирт со значительно более высоким содержанием альдегидов и труднее поддающийся ректификации. Наоборот, технология брожение без продувания воздуха и в герметически закрытых бродильных емкостях, т.е. без доступа воздуха, позволяет получать сырой спирт с малым содержанием альдегидов, который, вместе с тем, будет давать сравнительно большой выход ректификата 1-го сорта.

146

7)Часть посторонних примесей сырого спирта образуется при перегонках бражки в самом аппарате.

Конструкция перегонного аппарата периодическою или непрерывного действия (будь то одноколонный или двухколонный аппарат) точно так же влияет на качество получаемого спирта-сырца. Аппарат, дающий более высокую крепость спирта, гарантирует также и соответственно лучшее его качество. Спирт крепостью выше 92% об. будет чище спирта 85% об., полученного из той же бражки, потому что многие примеси спирта-сырца при кипячении крепкой флегмы 91...92% об. на верхних тарелках спиртовой колонны выделяются только в малом количестве в виде паров и, следовательно, не попадают ни в холодильник аппарата (концевик), ни в спиртоприёмник. Эти примеси смываются вниз текущей сверху флегмой и возвращаются в куб. При кипячении флегмы крепостью 70...75% об. эти примеси уходят вместе со спиртовыми парами вверх, в холодильник, и загрязняют спирт. По этой причине полученный спирт-сырец будет иметь больше примесей и даст гораздо меньший выход 1-го сорта спирта - ректификата.

Кратко охарактеризуем состав и вкусовые свойства спирта-сырца. Кислотность, количество альдегидов и эфиров не зависят от дегустаци-

онных свойств спирта-сырца.

Природа отдельных примесей и их количественное соотношение зависят от вида сырья (картофель, хлебные злаки, патока, фрукты и пр.), от методов приготовления затора и дрожжей, способа перегонки, применяемого при получении спирта-сырца, и его крепости.

Содержащуюся в спирте-сырце воду также следует считать примесью, по крайней мере, по отношению к чистому спирту. Примеси спирта-сырца имеют разную температуру кипения. Если расположить их в зависимости от этого фактора, то получится следующий ряд:

По характеру выделения примесей при ректификации спирта-сырца их делят на две большие группы:

-головные примеси, т.е. вещества более летучие, чем этиловый спирт;

-хвостовые примеси - менее летучие, чем этиловый спирт.

К головным примесям относятся: уксусный альдегид, муравьиноэтиловый эфир, уксуснометиловый и уксусноэтиловый эфиры, объединяемые в заводской практике под названием эфиро-альдегидная фракция (ЭАФ).

Некоторые хвостовые примеси имеют маслянистый вид и не растворяются в воде, поэтому их называют маслами, а чаще - сивушными маслами.

Хвостовые примеси состоят, главным образом, из:

-гомологов этилового спирта: пропилового, изопропилового, бутилового, изобутилового, амилового, изоамилового спиртов;

-сложных эфиров, образующихся под влиянием летучих кислот;

-соединений, очень близких к эфирным маслам.

Состав сивушных масел зависит от сырья, из которого получен спирт-сырец, и от методов его выработки.

Помимо групп головных и хвостовых примесей, различают группу промежуточных продуктов. В неё входят изомасляноэтиловый эфир и изовалерианоэтиловый эфир. Эти примеси по своим физическим свойствам могут

147

быть отнесены к головным или хвостовым примесям, в зависимости от крепости спирта.

Промежуточные продукты наиболее трудно отделяются от спирта-сырца. При обычно практикуемой очистке спирта перегонкой на ректификационном аппарате периодического действия для перевода этих трудноотделимых примесей в легкоотделимые требуется предварительная химическая обработка спирта-сырца.

Вспирте-сырце имеются примеси, с трудом отделяющиеся при ректификации.

Ких числу относятся, с одной стороны, примеси, обладающие температурой кипения, близкой к температуре кипения этилового спирта (уксусноэтиловый эфир), с другой - примеси с температурой кипения, сильно отличающейся от температуры кипения этилового спирта, но обладающие способностью растворяться в нём и его парах (уксусный альдегид).

Вспирте - сырце, кроме указанных выше веществ, которые более или менее изучены и легко определяются аналитически, имеются ещё другие вещества. Сюда относятся, например, органические производные аммиака (амины). Иногда плохая вода, употребляемая при рассиропке спирта-сырца, является причиной порчи ректификата. Хороший спирт-сырец может быть очищен ректификацией без применения каких-либо вспомогательных средств. Плохой спирт «исправляют» перед ректификацией воздействием различных химических реагентов. Из многих средств, предложенных для химической обработки или химической очистки, в практике наших заводов находят применение только два - очистка марганцовокислым калием и нейтрализация едким натром (каустической содой).

10. Химическая обработка бражки и спирта-сырца а) химическая обработка бражки.

При соблюдении технологии приготовления бражки сусло постепенно увеличивает свою кислотность в процессе брожения - и это нормально. В этом случае не требуется какая-либо химическая обработка.

Иногда кислотность бражки может чрезмерно повыситься. Это может произойти в силу разнообразных причин, связанных с нарушением технологии брожения, а именно:

-не была проведена стерилизация сусла, и процесс брожения «захватили» дикие дрожжи;

-по случайности резко понизилась температура в помещении, бражка остыла, «остановилась» и её брожение перешло в уксусное.

В таких случаях перед перегонкой рекомендуется искусственно понизить кислотность с помощью щелочей (2...5г на Юл бражки) или обычной золой (1...2 столовые ложки на Юл бражки). Если такую обработку не провести, то в процессе нагревания в бражке резко усиливаются химические реакции, которые могут стать причиной дополнительного образования сопутствующих примесей, попадающих в спирт-сырец при простой перегонке.

148

б) химическая обработка спирта-сырца.

Если все предыдущие действия были правильными, то химическая обработка спирта-сырца не требуется.

Если спирт-сырец получен из фруктового сырья (плохое вино), или были допущены ошибки в предыдущих действиях (об этом Вы можете узнать только после правильной ректификации), то следует провести химическую обработку спирта-сырца. Точные данные для этой процедуры можно получить только после очень точных и тонких анализов сырья. Мы можем дать только общие рекомендации.

Основная задача такой обработки - нейтрализация кислот в спирте-сырце и проведение реакций этерификации, в результате которых некоторые кислоты и спирты, имеющие летучесть, близкую к этиловому спирту, переходят в более летучие (эфиры) и менее летучие (тяжелые спирты) химические соединения, что существенно повышает качество спирта-ректификата в процессе ректификации.

Для этого в спирт-сырец добавляют 1...2 г/л щёлочи (КОН или NaOH), предварительно разведя её в небольшом количестве воды. Обычно такой обработки оказывается достаточно для начала ректификации.

В случае очень плохого качества спирта-сырца (к сожалению, это выясняется только после проведения процесса ректификации) проводят его дополнительную обработку марганцовокислым калием (марганцовкой), который, предварительно разведя в небольшом количестве воды, добавляют в спирт-сырец в количестве 1,5...2 г на каждый литр спирта, находящегося в спирте-сырце. Раствор тщательно перемешивают и оставляют на 15...20 минут для завершения химической реакции. После этого снова добавляют щёлочь (в прежнем количестве) и оставляют для осветления на 8... 12 часов. Затем спирт-сырец фильтруют и проводят ректификацию.

ОДНАКО, лучше соблюдать технологию, чем «увлекаться» химической обработкой.

11. Получение спирта-сырца на ректификационной колонне

Химической обработки бражки и спирта-сырца можно избежать, если спирт-сырец производить с помощью ректификационного оборудования. В частности, данный способ производства спирта-сырца можно использовать, если у Вас нет аппарата простой перегонки бражки («самогонного аппара-

та»).

Если перегонку бражки проводить с помощью ректификационной колонны и при этом использовать технику ректификации - возврат флегмы, из бражки можно получить сразу 70...85%-ный спирт-сырец, а если произвести частичный слив головной части, то можно существенно повысить качество получаемого спирта-сырца. Однако, перегоняя бражку на ректификационной колонне, можно очень легко засорить нижнюю часть колонны пеной, образующейся в бражке. В этом случае ректификационная колонна должна быть дополнена специальной противопенной царгой, устанавливаемой в нижней части колонны.

Полученный с помощью ректификационного оборудования спирт-сырец содержит значительно меньше вредных примесей, прежде всего так называемых «головных» фракций (см. раздел «Рекификация спирта»). Применение в качестве исходного сырья такого спирта-сырца позволит упростить процесс его переработки в спирт-ректификат, а также повысить качество получаемого спирта (например, получать спирт типа «Экстра» и «Люкс»).

РЕКТИФИКАЦИЯ СПИРТА

Введение

Получение спирта в домашнем хозяйстве всегда было связано с двумя основными проблемами: юридической (запрет самогоноварения в СССР) и технической (отсутствие профессионального, простого, надёжного и доступного оборудования для ректификации).

С 1 января 1997 года не существует запрета на производство спирта (и самогона) для нужд домашнего и фермерского хозяйства. Решение технической проблемы достигнуто с появлением профессионального Лабораторного Универсального Модульного Малого Ректификационного Комплекса (ЛУММАРК).

Специалисты нашей фирмы с 1986г разрабатывают и изготавливают на заказ профессиональное ректификационное оборудование для лабораторий и малых предприятий. В результате этих работ сформировался определенный перечень элементов - модулей ЛУММАРК. Из них можно создавать как специализированные ректификационные установки под самые разные задачи и запросы ученых, так и комплектовать доступные мини «СпиртЗаводы».

Специалисты по ректификации пищевого спирта подобрали оптимальный по соотношению «цена - качество - производительность» состав модулей ЛУММАРК, позволяющий комплектовать ректификационные установки периодического действия производительностью на спиртовом режиме от 0,5л/ч до Зл/ч, и разработали на основе запатентованного способа методику работы на этих установках, обеспечивающую получение высококачественного пищевого спирта. Эти установки внесены в реестр лабораторного оборудования и рекомендованы для высших учебных заведений пищевой промышленности РФ.

Наш ЛУММАРК давно зарекомендовал себя как надежное и высококачественное оборудование. Все модули ЛУММАРК изготовляются из пищевой нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т. На все модули даётся гарантия 16 месяцев, хотя срок их службы не ограничен - существует четырнадцатилетний опыт почти ежедневной эксплуатации в химической лаборатории нашей первой установки!

12. Теплофизические свойства водно-спиртовых растворов

150

ной) смеси «этиловый спирт + вода», дающими полное представление о работе ректификационного оборудования и получения на нём этилового спирта-ректификата.

12.1.Концентрация спирта

Известно, что этиловый спирт очень хорошо растворяется в воде, образуя бинарную водно-спиртовую смесь (раствор), которая может содержать в себе любое количество спирта.

В случае использования тех или иных справочных данных необходимо различать два понятия концентрации спирта в водно-спиртовом растворе - массовая и объёмная концентрации. Массовая концентрация спирта - это масса спирта в массе раствора (обозначается как %масс., или кг/кг, или г/г). Это понятие обычно используется в физических расчетах, анализе процессов горения и др.

Чаще и традиционно используется понятие объёмной концентрации спирта - это объем спирта в объеме раствора (обозначается как %об., или м3/м3, или л/л, или мл/мл). Отметим, что из-за различий в плотности спирта (р=790кг/м3=0,79г/мл) и воды (р=1000кг/м3=1г/мл) величины объёмной и массовой концентраций одного и того же раствора могут существенно различаться. Чтобы избежать путаницы, далее мы будем пользоваться только понятием объёмной концентрации спирта в растворе.

Для определения объёмного содержания спирта в растворе - концентрации спирта в жидкости X используются специальные спиртометры: АСП- 3

(0...40%), АСП-3 (40...70%), АСП-3 (70...100%), АСП (95...105%), АСП-2

(96...101%), с термометром АСПТ (60... 100%). Следует учитывать, что эти приборы фактически измеряют плотность раствора (используют силу Архимеда), а плотность водно-спиртового раствора сильно зависит от его температуры. Поэтому реальное содержание спирта в растворе совпадает с показаниями этих приборов только при 20°С, что и указано на их шкалах.

Наиболее известными растворами являются водка - 40% и спиртректификат - 96,4%. Кстати, содержание спирта в бражке находится в пределах 6... 12%, но измерять эту концентрацию с помощью спиртометров нельзя из-за наличия в бражке остаточного сахара и других примесей, влияющих на плотность раствора, и, соответственно, искажающих показания прибора.

Пары этилового спирта также хорошо растворяются и в парах воды, образуя с ними единую паровую смесь с концентрацией спирта в них Y, которую можно определить только после конденсации этих паров - т.е. в жидкости (с помощью спиртометра) или по температуре их парообразования.

12.2.Температура кипения водно-спиртовой смеси

Естественно, температура кипения раствора двух веществ - воды

(tKMn=100°C при 760мм.рт.ст) и этанола (1кип=78,3°С при 760мм рт.ст) должна находиться между температурами кипения индивидуальных веществ.

Зависимость температуры насыщенного водно-спиртового пара или температуры кипения (парообразования) этой бинарной смеси от концентрации спирта Y в парах представлена на рис.3.