Malo teorije o destilaciji
Destilacija je tehnološki proces kojim se izdvajaju ili prečišćavaju komponente koje ulaze u tu smjesu ili otopinu. Postupak je poznat od davnina, nije komplikovan niti za primjenu, niti ga je teško teoretski objasniti, no svejedno iskustvo pokazuje da dosta ljudi koji redovno primjenjuju destilaciju za spravljanje jakih alkoholnih pića nedovoljno poznaju osnovne principe ovog tehnološkog procesa.
Iz tog razloga želim da na ovom specijalizovanom sajtu koji se bavi, između ostalog, i destilacijom alkoholnih pića, razjasnim neke osnovne stvari u vezi destilacije.
Uzmimo zbog jednostavnosti da smo u destilacioni kotao stavili smjesu (bolje je reći otopinu) čiste vode i čistog alkohola etanola i to u omjeru 1 volumni dio alkohola i 9 volumnih dijelova vode (10% otopina alkohola u vodi).
Ovaj primjer je realističan jer se jakost komina najčešće i nalazi negdje oko 10%, od grožđa i bez dodatka šećera a od drugog voća sa dodavanjem do te jačine.
Kominu sad treba zagrijavati dok ne proključa jer tek kad se postigne temperatura ključanja počinje masovno isparavanje.
Pitanje je koja je temperatura ključanja ove komine iz našeg primjera i o čemu ona ovisi.
Temperatura ključanja ne ovisi niti o „jačini vatre“, niti o konstrukciji kazana, nego samo o dvije fizikalne veličine a to su tlak iznad komine i koncentracija alkohola u komini.
Tlak (zraka) iznad komine u destilacionom uređaju je isti kao i tlak zraka vani jer je destilacioni kazan otvoren sistem (preko spojne cijevi i hladionika). Znači tlak zraka iznad komine je uvijek oko jedne atmosfere, već u zavisnosti od tlaka zraka vani.
Pri tlaku od jedne atmosfere voda ključa na 100 stupnjeva Celzijusa, a alkohol na 78,3 C. Otopina alkohola u vodi ključa na nekoj temperaturi između ove dve, a na kojoj tačno zavisi isključivo od omjera ove dve supstance. Tako, na primjer, 50% otopina alkohola ključa na 83 C, 30% na 86 C, a 10% na 93 stupnja Celzijusa.
U trenutku kad je postignuta temperatura od 93 stupnja Celzijusa (u ovom primjeru), komina počne da ključa, počinje masovno isparavanje iz komine, a temperatura komine više se ne podiže, bez obzira na jačinu vatre (tehnološkim jezikom: bez obzira na snagu kojom destilišemo). Povećavanjem snage postižemo samo intenzivnije (obilnije) isparavanje ali ne i podizanje temperature komine.
Nije samo temperatura ključanja konstata ovisna o koncentraciji alkohola u komini nego je to i sastav pare koji se podiže pri ključanju i on je za 10% kominu 55%. Znači, komina iz našeg primjera, u bilo kom kazanu, i pri bilo kakvom loženju, provreće na 93 stupnja Celzijusa i u pari će biti 55% alkohola i 45% vode. To su fizikalne konstate za ovu koncentraciju.
Ovo međutim ne znači da će para sa tom temperaturom i u toj koncentraciji doći i u hladionik.
Para, podižući se, grije i nadvođe kazana (kapak) i to sve do trenutka dok se ne uspostavi termodinamička ravnoteža. Ovo pak znači da kapak, zagrijan na određenu temperaturu, počne da odaje u okolinu isto toliko toplinske energije koliko dobija od pare koja iz kazana dolazi na njega.
Pitanje je sad koja je temperatura kapka.
Kapak se grije isključivo od pare (a ne od vatre pod kazanom) pa je limitna temperatura kapka jednaka temperaturi pare. U našem primeru kapak u ovom trenutku koji opisujemo ima limitnu temperaturu od 93 stupnja Celzijusa. On će, međutim, u stvarnosti biti nešto hladniji jer odaje toplinu na okolinu. Kapak će imati onu temperaturu koja bude rezultat termodinamičke ravnoteže.
Pretpostavimo da se gore opisana termodinamička ravnoteža uspostavi pri temperaturi kapka od 85 stupnjava Celzijusa (takođe jedna realistička pretpostavka za većinu kazana alambika koji su kod nas u upotrebi). U tom slučaju će para koja dolazi iz kazana, i koja ima, kako smo već rekli, temperaturu od 93 C, udarati u nešto od nje hladniji kapak i na tj način se i sama hladiti na 85 C što će imati za posledicu djelimičnu kondezaciju te pare.
Para koja dolazi iz kazana sastavljena je od pare alkohola i pare vode. I dok su ove dve supstance u otopini bile vezane jedna za drugu, i uslovljavale jedna drugoj u velikoj mjeri fizikalna svojstva (recimo, zajedničku tačku ključanja), sad u pari su odvojene i svaka se ponaša u skadu sa svojim fizikalnim svojstvima. To znači da je para alkohola, topla 93 C, pregrijana alkoholna para (dosta toplija od tačke ključanja alkohola), a para vode na istoj temperaturi podgrijana para (ispod tačke ključanja). Ova činjenica ima za posljedicu da će prethodno opisano kondenzovanje odnositi skoro isključivo na paru vode, a ne na alkoholnu paru. Dakle, hladeći se u kapku destilacionog aparata iz smjese para kondezuje se skoro isključivo onaj vodeni dio i smjesa postaje bogatija alkoholom. Pod pretpostavljenim uslovima, ako bi se sva para ohladila na 85 C, u pari bi bilo oko 78% alkohola i 22% vode.
U stvarnosti će to biti manje jer se neće sva para ohladiti na tu temperaturu pa će prosječna vrijednost biti niža (za alkohol), ali u svakom slučaju viša nego što je bila početna vrijednost od 55%.
Iz ovoga je lako zaključiti da je konstrukcija kapka dosta važna. Kapak treba da bude prostran i sa velikom površinom da bi smanjio brzinu podizanje pare prema najvišoj tački kazana i tako joj dao šansu da se što bolje ohladi. Takođe, iz istog razloga je važno da materijal bude dobar provodnik i brzo prenese toplinu sa unutrašnje površine stijenke na vanjsku (i onda na okolinu), kao i da mjestimične razlike u temperaturi na njemu samom brzo niveliše i bude svuda podjednako zagrijan. Iz tog razloga je bakar najbolji materijal za destilacione kazane bar kad je destilacija jakih alkoholnih pića u pitanju, jer je bakar, od svih metala, najbolji provodnik.
Znajući gore rečeno lako je sad objasniti zašto se za destilaciju traži „tiha vatra“, to jest destilacija malom snagom, najčešće najmanjom mogućom (postoji donja granica a nju određuje snaga potrebna da komina ključa, ispod nje se ne može ići jer staje ključanje i samim tim i destilacija).
Ako u gornjem primjeru povećamo snagu destilacije povećaćemo količinu pare koja dolazi iz kazana, što znači da će više topline u jedinici vremena dolaziti na kapak. Tad će se termodinamička ravnoteža narušiti i kapak će početi da se zagrijava sve dok se ne uspostavi nova ravnoteža, sad na višoj temperaturi. Ovo će imati za posljedicu da će se para manje hladiti što znači i manje kondezovati, a ovo znači da će para koja prođe kapak, i dođe do hladionika, u tom slučaju, u poređenju sa prijašnjom situacijom, biti bogatija vodom, to jest siromašnija alkoholom, to jest biti toplija.
Sve gore opisano predstavlja presjek u jednom trenutku destilacije (ovdje na samom početku destilacije 10% komine). U stvarnosti, uslovi destilacije se konstantno mijenjaju. I to zato što se koncentracija alkohola u kotlu kontinuirano smanjuje. Zbog toga se temperatura vrenja komine stalno povisuje kao i temperatura kapka, a koncentracija alkohola u pari stalno pada i na izlasku iz komine, a i manje se kondezuje na kapku.
Kad destilišemo alambikom (a to je još uvijek kod nas praktično jedini kazan u upotrebi kod malih proizvođača (bilo za tržište ili vlastite potrebe), nemamo velikih mogućnosti da na tok destilacije bitno utičemo. Jedini način je da povećavamo koncentraciju alkohola u komini (prepicanjem) i da pokušamo da snagu destilacije smanjimo na minimum.
Kad bi se i kod nas, kao što to jeste slučaj u Austriji, Njemačkoj, Švicarskoj, Italiji...., udomaćili aparati sa pregradnim tanjirima i deflegmatorima, to jest aparati koji omogućavaju kontrolu temperature u kapku i njeno snižavanje autonomnim sistemom hlađenja kad destilacija odmakne i temperatura počne da raste (na mostu, najvišoj tački aparata poslije koje para iz uzlazne prelazi u silaznu putanju), mogli bismo i mi, ne samo da u jednokratnoj destilaciji (bez prepicanja) iz bilo kog voća dobijemo rakiju, nego bismo dobili i bolju rakiju od one prepečene jer bismo veliki dio destilacije mogli održavati „na mostu“ upravo onu temperaturu koja daje najkvalitetniji destilat (to za voćne rakije ne mora biti, i najčešće nije, najmanja moguća temperatura nego neka određena, ispod koje je rakija sa malo bukea, a preko koje dobijamo rakiju sa previše patočnog mirisa).