wtorek, 15 stycznia 2013

Jak powstały kolumny rektyfikacyjne


Zacznijmy od czasów zamierzchłych.
Tysiące lat temu ludzie zauważyli, że niektóre jadalne rośliny ulegają pewnej specyficznej formie zepsucia, dzięki której można uzyskać napoje o działaniu odurzającym. W dzisiejszych czasach proces ten nazywa się fermentacją. Wywołują go mikroskopijne grzyby zwane drożdżami, które żywią się cukrami zawartymi w roślinach. Ciepło i zasobność pożywienia powoduje ich szybkie rozmnażanie się, wydalają z siebie wówczas substancję uboczną o nazwie alkohol. W dawnych czasach najłatwiej dostępnym produktem do fermentacji był sok słodkich owoców.














Po fermentacji otrzymany płyn ulegał samoistnemu klarowaniu się i w ten sposób narodziło się wino. Jest ono znane od 8000 lat. Najbardziej szlachetne wina uzyskiwano z moszczu winogron. 
Inny, równie popularny napój wytwarzano ze zboża. Delikatnie podkiełkowane, następnie rozdrobnione ziarna podgrzewano w wodzie w celu uzyskania jego słodkiego smaku. Dzisiaj proces ten nazywamy zacieraniem. Polega on na rozłożeniu skrobi zawartych w ziarnie na cukry proste. Jest to możliwe dzięki enzymom nagromadzonym w podkiełkowanym ziarnie. Otrzymany zacier gotowano z różnymi przyprawami poprawiającymi smak i aromat.















Po ostudzeniu i dodaniu drożdży, wywar przechodził fermentację. W ten sposób sporządzano piwo, które jest znane już od 6000 lat. Dawniej piwo robiono z różnych zbóż, ale dopiero w średniowieczu wykształciło się popularne dzisiaj piwo chmielowe. Do jego wytworzenia używa się tylko czterech składników: słodu jęczmiennego, szyszek chmielowych, wody i drożdży.














Oczywiście nie tylko owoce i zboża nadawały się do fermentacji. W zależności od regionu świata, napoje alkoholowe wytwarzano z różnych produktów, np. z bulw roślin okopowych, słodkich trzcin, z miodów, itp. Wspólną cechą uzyskiwanych w ten sposób trunków była stosunkowo niska zawartość alkoholu. Wynika to z tego, że drożdże  obumierają w roztworach o stężeniu etanolu wyższym niż kilkanaście procent. Aby uzyskać wyższą procentowość, należy przeprowadzić destylację, która polega na zagotowaniu przefermentowanego roztworu i skropleniu powstałej w tym czasie pary.













Najprostszym urządzeniem służącym do tego celu jest kociołek z uszczelnioną pokrywą oraz zanurzona w wodzie spirala (chłodnica), na przykład z rurki miedzianej. Podczas gotowania wytwarzana para skrapla się na zimnych ściankach chłodnicy i spływa do naczynia. Otrzymany destylat posiada kilkadziesiąt procent alkoholu (stężenie destylatu systematycznie spada w miarę trwania procesu). Zjawisko wzmocnienia % następuje, ponieważ alkohol ma większą lotność od wody i zdecydowanie łatwiej paruje podczas podgrzewania, lub gotowania.

Na początku umiejętność destylacji rozpowszechniła się w świecie arabskim i służyła głównie celom medycznym. Do Europy dotarła w XII wieku w okresie wypraw krzyżowych. Można żartobliwie domniemywać, że rycerze zakonni lecząc rany specyfikami opartymi na mocnych destylatach alkoholowych, szybko docenili ich krzepiące walory przy stosowaniu wewnętrznym 
J i to był prawdopodobnie jeden z głównych impulsów do nieuniknionego udoskonalania techniki destylacji wraz z upływem wieków.










W krajach południa Europy destylację przeprowadzano głównie na przefermentowanych moszczach winogronowych. Narodziły się w ten sposób takie marki jak brandy, włoska grappa, francuski armagnac i koniak. Wielką popularność zdobyły też niektóre destylaty owocowe, np. wytwarzany z jabłek calvados lub bałkańska rakija. W krajach Europy centralnej uznanie zdobyła śliwowica. Powyższe trunki należą do rodziny winiaków.
Inną grupą są destylaty wytwarzane ze zbóż. W Europie zachodniej sztandarowym jej przedstawicielem jest whisky, która największą popularność zdobyła w krajach anglojęzycznych. Najstarsze tradycje w jej wytwarzaniu ma Irlandia i Szkocja. W krajach tych do jej produkcji używa się (z małymi wyjątkami) wyłącznie jęczmienia i jego słodu. Z czasem whisky wyemigrowała do Ameryki Północnej. Tam powstała jej odmiana o nazwie Burbon. Jest ona produkowana głównie z kukurydzy z domieszką żyta, pszenicy i jęczmienia. Historyczną  ciekawostką jest, że dla kariery międzynarodowej trunku zasadnicze znaczenie miała plaga, która nawiedziła francuskie winnice w latach 80-tych XIX wieku i która wpłynęła na znaczny spadek produkcji koniaku. Na jego miejsce weszła whisky i znaczną część rynku utrzymała do dzisiaj. Nieco inaczej wyglądał rozwój destylatów zbożowych w Skandynawii, w Polsce i Rosji. W tym rejonie dominującą rolę odegrała wódka.
Pierwszy historyczny zapis świadczący o obecności wódki w Polsce datowany jest na 1405 rok i znajduje się w Sandomierskim Rejestrze Sądowym. Niektórzy historycy twierdzą jednak, że trunek ten był wytwarzany na ziemiach polskich, dokładnie w Krakowie, już sto lat wcześniej. To czyniłoby Polskę ojczyzną wódki. Początkowo wódka znana była pod nazwą okowita (z łac. aqua vita, woda życia). W roku 1546 król Jan Olbracht nadał prawo do destylowania i sprzedawania wódki każdemu dorosłemu obywatelowi. Wspólną cechą piwa, whisky i wódki, był podobny sposób przygotowania zboża do fermentacji . W każdym przypadku należało wykonać zacieranie (scukrzanie) śruty zbożowej, co było niezbędnym czynnikiem do wyprodukowania przez drożdże odpowiedniej ilości alkoholu. Whisky, podobnie jak koniak i wiele innych winiaków, jest poddawana wieloletniemu dojrzewaniu w drewnianych, głównie dębowych beczkach. Robi się to w celu uszlachetnienia walorów zapachowo-smakowych. Technologia wytwarzania niektórych gatunków tych trunków sięga 300 lat i jest niezmienna do dziś. W Polsce i Litwie podobnie do whisky robiona była jedynie starka. Jest ona u nas znana co najmniej od XV wieku. Tradycyjnie po narodzinach syna zakopywano wódkę w dębowej beczce i wykopywano dopiero na wesele tegoż syna. Polacy i Rosjanie mieli inną filozofię na uszlachetnienie wódki zbożowej niż narody zachodu Europy. Była to wielokrotna destylacja i filtracja. Dążono w ten sposób do możliwie najlepszej czystości i neutralności smakowej.
Początkowo robiono ją na bazie 3-krotnej destylacji. Pierwsza dawała tzw. brantówkę, druga szumówkę, a trzecia okowitę, która była spirytusem o mocy 70-80%, rozcieńczanym wodą, przez co otrzymywano  40-procentową wódkę "szynkową". Kluczem do uzyskania odpowiedniej jakości była umiejętność odrzucania zanieczyszczeń podczas drugiego i trzeciego cyklu. Pierwszy miał z reguły zadanie jedynie odciągnięcie wszystkiego alkoholu co w efekcie dawało urobek o stężeniu około 15-20% . Tak uzyskana brantówka miała dużo zanieczyszczeń w postaci frakcji lekkich i ciężkich które działają trująco na wątrobę i wnoszą bimbrowy zapach i smak. Zanieczyszczenia lekkie pojawiają się na początku destylacji, zaś ciężkie na jej końcu. Pożądanym urobkiem jest tzw. Serce, czyli urobek z środka procesu. Problemem były straty alkoholu które wnosiły kolejne destylacje. W celu  dodatkowej poprawy łagodności i neutralności smakowej stosowano  wielokrotne filtrowanie destylatu poprzez węgiel brzozowy.  Z czasem na dworach magnackich i stołach bogatych bojarów zaczęły się pojawiać doskonałej jakości wódki, robione nie z trzech, lecz dużo większej ilości destylacji. Jeden litr takiej wódki powstawał czasami aż 100 kg żyta, lub pszenicy. Podkreślało to prestiż poczęstunku i bogactwo gospodarza.  Oprócz wódek czystych nastąpiła również eksplozja wszelkiej rodzaju nalewek owocowych, czy zaprawek korzenno -ziołowych. Bogactwo tego typu trunków zasługuje na oddzielne omówienie.
Wysokie koszty wytworzenia dobrych wódek nie sprzyjały ich ekspansji w inne rejony Europy, czy Świata. Do tej pory zachował się podział regionalny w którym ten alkohol jest popularny. Jest  tzw. pas wódki, obejmujący kraje skandynawskie, oraz środkowo i wschodnioeuropejskie.
W krajach anglosaskich wódka nie była ceniona do połowy XX wieku.  Ameryka Północna importowała ją głównie z powodu upodobań niektórych mniejszości narodowych. Ciekawostką jest, że pozytywna zmiana spostrzegania wódki w USA pojawiła się dopiero po drugiej wojnie światowej, ale korzenie jej sięgają czasów prohibicji z lat 20-dziestych. Otóż zakaz sprzedaży alkoholu wymusił różne metody jego omijania. Jednym z takich sposobów było picie niskoprocentowych koktajlów, inaczej  drinków. Moda na drinki utrzymała się po zniesieniu prohibicji. Wymusiła ona wielką ich różnorodność, lecz bazą zawsze była whisky. Z czasem okazało się, że w wielu przypadkach dużo lepsze efekty degustacyjne daje stosowanie wódki. I tak wódka przedarła się do świadomości rdzennych obywateli USA.
Wracając do tematu,  w dawnych wiekach dużym problemem było uzyskanie wysokiej czystości i procentowości spirytusu. Należało wykonać szereg destylacji prostych co generowało duże straty  urobku, oraz czasochłonność i zapotrzebowanie na energię. Rysunek poniżej pokazuje ile destylacji należy wykonać, aby uzyskać spirytus 95%.

Jak widać otrzymanie spirytusu o stężeniu powyżej 90% wymagało co najmniej 4 procesów destylacji prostych. Było to nieopłacalne. Przy ciągle rosnącym zapotrzebowaniu na mocne trunki zaszła więc potrzeba wynalezienia bardziej ekonomicznego systemu produkcyjnego.
Krokiem milowym było wynalezienie kolumny rektyfikacyjnej. To właśnie temu urządzeniu zawdzięczamy czystość i neutralny smak wszystkich dostępnych dziś na sklepowych półkach wódek białych. Pierwsze aparaty rektyfikacyjne to wynalazek XIX-wieczny. Na tym zaszczytnym polu zasłużyło się wielu odkrywców. Był wśród nich Edward Adams, którego urządzenie, składające się z kilkunastu połączonych naczyń w formie jaja, umożliwiało częściowe oczyszczanie spirytusu z powstałych w czasie destylacji zanieczyszczeń. W 1817 roku szanowany właściciel gorzelni, Jan Pistoriusz, skonstruował wielonaczyniowy aparat destylacyjny wyposażony w deflegmator talerzowy, który pozwalał na uzyskanie spirytusu o wysokiej mocy już w czasie pierwszej destylacji, a nie jak dotychczas – dopiero trzeciej. Kilkanaście lat później, w roku 1830, irlandzki urzędnik akcyzowy, Eneasz Coffey, wynalazł jeszcze lepszy aparat dwukolumnowy, działający w sposób ciągły i dający alkohol o mocy 90%. Nowocześniejsze urządzenie opracował w latach 50. Pierre Savalle, a usilne prace jego pomysłowych następców umożliwiły skonstruowanie urządzeń, w których destylacja mogła przebiegać w sposób ciągły, a powstały alkohol o wysokiej mocy był oczyszczany z niebezpiecznych zanieczyszczeń.

Poniżej znajduje się rys. pokazujący bardzo uproszczony schemat kolumny rektyfikacyjnej.


















































Pomysł tej konstrukcji polega na umieszczeniu wielu kociołków służących do prostych destylacji jeden na drugim. Na samym dole znajduje się duży kocioł, zaś na szczycie jest umieszczona chłodnica. 
Urządzenie działa w następujący sposób:
W dużym kotle gotuje się przykładowo wino o mocy 15%. Wytwarzana wówczas para ma 62% etanolu i przemieszcza się do pierwszego małego kociołka, gdzie  skrapla się w postaci destylatu o tej samej procentowości. Jego nadmiar przelewa się z powrotem do dużego kotła. Destylat w kociołku jest podgrzewany przez pary dużego kotła. Powoduje to jego wrzenie które generuje parę 82% i ta para przemieszcza się wyżej do  następnego kociołka. Tam się skrapla. Pary z niższego kociołka wywołują wrzenie skroplonego destylatu co doprowadza do wytworzenie pary 87%. Proces ten powtarza się z każdym następnym kociołkiem, aż pary dotrą do chłodnicy, gdzie skraplają się całkowicie.
Jeżeli kolumna posiada wystarczająco dużo takich małych kociołków umieszczonych jeden na drugim, jest wstanie wytworzyć na szczycie spirytus 95%.

Aby urządzenie pracowało prawidłowo, większa cześć skroplin z chłodnicy musi wrócić do kolumny, zaś mniejszą możemy odebrać sobie.
Zaletą kolumny rektyfikacyjnej jest to, że tylko w jednym procesie możemy uzyskać spirytus 95%. Przy okazji oszczędzamy  energię i czas, oraz mamy mniej strat w postaci zanieczyszczeń. Opisana powyżej kolumna nazywana jest kolumną półkową. Kolumny tego typu są rzadko używane w domowych warunkach. Powodem są wysokie koszty ich wykonania. W następnym temacie postaram się podać więcej szczegółów na temat budowy i działania innych rodzajów kolumn.





2 komentarze:

  1. Dobra robota. Prosto i zwięźle. Czekamy na więcej.

    OdpowiedzUsuń
  2. witam,
    jestem zainteresowany wykonaniem kolumny. Ty prosiłbym o małą pomoc, nie wiem jakie wymiary przyjąć przy jej wykonaniu. Ile ma być kociołków? Jaka chłodnica na górze? Wykonywał Pan tą kolumnę według schematu?

    proszę o pomoc,
    pozdrawiam

    OdpowiedzUsuń