Читаем Трактат о приготовлении и дистилляции зерновых браг (СИ) онлайн бесплатно

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.

Получение же чистого этилового спирта возможно при ректификации, о которой речь будет ниже.

Но прежде, чем перейти к сути трактата, мы обратимся к истокам.

История этилового спирта

Первое знакомство с алкоголем произошло во времена раннего палеолита, когда наши предки жили стадами, вели кочевой образ жизни, занимались собирательством и охотой. Они заметили, что перезрелые плоды действуют опьяняюще и снимают психологическое напряжение. Отметив полезность этого открытия, они стали целенаправленно искать такие плоды и употреблять в пищу в качестве антидепрессантов.

В среднем палеолите, при переходе к оседлому образу жизни, люди учились делать запасы продуктов, чтобы обезопасить себя от голода. Найденные спелые плоды и соты с медом пытались сохранить. Но под воздействием влаги, температуры и диких дрожжей содержащие сахар запасы начинали бродить. Неудача обернулась новым открытием. В тот момент, когда люди поняли, что перезрелые плоды можно больше не искать, а получать искусственным путем, зародилось виноделие.

В эпоху неолита, наряду с совершенствованием орудий труда и развитием общества, развивалась и технология виноделия. Сок из плодов стали извлекать, собирать и сбраживать на диких дрожжах. Получившиеся напитки могли храниться длительное время. Постепенно и содержание этилового спирта в напитках увеличивалось. Возникли первые ритуалы, связанные с употреблением алкоголя, в основном религиозного характера.

Опираясь на археологические данные, можно допустить, что люди научились получать и сохранять слабоалкогольные напитки в промежутке между 7000 и 5000 годами до нашей эры. На территории современного Китая и в Передней Азии были обнаружены остатки спиртосодержащих напитков из фруктов, меда.

Исключительно важной вехой стало открытие технологии изготовления пива, что произошло в также Китае и Передней Азии между 4000 и 3000 годами до нашей эры. К открытию привело стечение ряда обстоятельств. В результате неправильного хранения проросло зерно, но его не выбросили, а просушили и перемололи в муку. Муку залили водой и на время о нем забыли. Под действием солнца и ферментов, содержащихся в ростках, крахмал разложился на сахар, а случайно попавшие в сосуд дикие дрожжи превратили этот раствор в пиво.

Но прошли столетия прежде чем люди смогли выделить этиловый спирт. Есть сведения, что в древней Ассирии собирали сконденсированную влагу, с пробок плотно закрытых винных горшков. Хотя доля именно этилового спирта в этом конденсате была мала.

Ключевым моментом на этом пути стало открытие дистилляции. Это произошло в начале бронзового века, по всей видимости в Древнем Египте в результате химического опыта по выделению эфирных масел, когда пар от нагретой в сосуде жидкости был сконденсирован и собран в специальной чаше.

На рисунке из Древнего Египта, более позднего периода, мы видим изображение этого процесса. Под сосудом горит огонь, в сосуд помещена изогнутая трубка, для надежности скрепленная укосиной, а в руке мальчика небольшая чаша, вероятно для сбора дистиллята. Интересна зеленая окраска сосудов, свидетельствующая о том, что они сделаны из меди.

(тут был рисунок)

Большой вклад в дело развития дистилляции внес Зосима Панополитанский, живший в Александрии около III - VI веков нашей эры. На рисунке из его трактата изображен перегонный куб или амбикс (чаша). Из важных усовершенствований мы видим сосуд с высоким горлышком и шлем-холодильник надетый на сосуд.

(тут был рисунок)

Под натиском арабов в VII веке нашей эры Александрия пала, но технология дистилляции сохранилась и перекочевала на Ближний Восток. Там она получила свое дальнейшее развитие. Амбикс стал называться аль-эмбиком или аламбиком.

Арабский ученый Джабир ибн Хайан, живший в VIII-IX веках нашей эры и известный в Европе как Гебер, сделал описание процесса дистилляции, дошедшее до наших дней.

На рисунке из арабской рукописи видны основные части аламбика. Мы видим куб, шлем-холодильник с трубкой и сосуд для сбора дистиллята. Снова отмечаем зеленую окраску, которая указывает, что прибор сделан из меди.

(тут был рисунок)

Приблизительно в тоже время арабский ученый ал-Кинди написал книгу о производстве духов, в которой также упоминается аламбик.

Позже персидский ученый Ар-Рази в IX-X веках нашей эры систематизировал имеющиеся знания. Он впервые выделил винный спирт и описал технологию его получения путем перегонки на аламбике.

Масштабное производство и торговля духами на Ближнем Востоке привели к тому, что стали конструировать промышленные дистилляторы. На рисунке из арабской рукописи XII века изображено производство дистиллята в промышленных объемах. Как мы видим конструкция аламбика не поменялась.

(тут был рисунок)

В XI-XII веках, во времена крестовых походов и господства арабов на Пиренейском полуострове и Южной Италии, усовершенствованная технология дистилляции возвращается в средневековую Европу. Аламбики стали обязательным оборудованием всех алхимических лабораторий. К этому времени относятся и сведения о получении винного спирта в Южной Италии.

К сожалению, европейские книги по алхимии в большинстве своем были уничтожены инквизицией и указать источник, в котором впервые упоминается зерновые дистилляты невозможно, но можно предположить, что это произошло в XIII веке.

С появлением книгопечатания и началом эпохи Возрождения научные труды становятся доступнее, и дистилляция перестает быть чем-то таинственным.

На гравюре из книги "Liber fornacum" XV века, изданной в Испании, подробно изображен аламбик и процесс дистилляции проводимыми двумя алхимиками.

(тут был рисунок)

Эта книга являлась поздним переложением работ, ранее упомянутого нами, Джабир ибн Хайан.

В том же XV веке был усовершенствован холодильник, который значительно увеличил эффективность аламбика. Бенедиктинского монах Базиль Валентин для лучшей конденсации предлагал погружать трубку с паром в сосуд с холодной водой. А также рекомендовал повторную перегонку для увеличения концентрации спирта в дистилляте.

Одновременно с этим набирают популярность крепкие алкогольные напитки, полученные путем дистилляции. И уже в конце XV века вводятся первые ограничения на их продажу. В 1496 году в Нюрнберге вводится ограничение на продажу продуктов перегонки по воскресеньям и праздникам.

С этого момента и начинается современная история зерновых дистиллятов.

О современных дистилляторах.

С развитием производства крепких алкогольных напитков и эфирных масел начинают совершенствоваться и дистилляторы. Основным материалом для их изготовления оставалась медь.

И в итоге появились современные аламбик (слева) и алькитара (справа).

(тут был рисунок)

Сперва рассмотрим наиболее распространенный классический дистиллятор - аламбик.

Как видим, его конструкция изменилась и усовершенствовалась. По совету упомянутого выше Базиля Валентина был добавлен холодильник - змеевик, соединенный с перегонным кубом трубкой и погруженный в сосуд с холодной водой. Также были придуманы дополнительные блоки, которые позволяли улучшить качество продукта, например, колонны, линзы. А для снижения риска пригорания браги аламбик стали нагревать не на открытом огне, а на водяной бане или паром.

Для промышленных целей, когда объем перегонки велик, к аламбику был добавлен еще один куб для предварительного нагрева браги, что позволило экономить топливо и время. Так появился шарантский аламбик.

(тут был рисунок)