Destillering

Inledning
Destillering (lat. destillatio = droppa ned) kallas den process då man värmer upp en vätska till kokpunkten, samlar ihop ångorna och kondenserar dem till vätska. Detta brukar utföras i en destillationsapparat. En destillering är egentligen en reningsprocess där man separerar olika vätskor med olika ångtryck. Destillationsapparaten består i princip av ett kokärl, en anordning för att samla ihop ångan, en kylare och ett förlag, behållaren som samlar upp den kondenserade vätskan.

Vätskan som skall destilleras placeras i kokaren och värms. Då lösningen kokar bildas ånga som leds vidare till kylaren där ångan kondenseras till vätska. Vätskan som kommer ut ur destillationen kallas destillat. Destillation används inte bara vid spritframställning utan den har många användningsområden inom kemisk-teknisk industri. I oljeindustrin används fraktionerad destillation för att separera de olika komponenterna i olja, såsom gas, bensin, smörjolja osv. De långa höga tornen som man kan se vid oljeraffinaderier är destillationskolonner.

Historia
Den äldsta beskrivningen på något som kan liknas vid en destillation gjordes av den romerske skriftställaren Plinius. Han beskrev en process där man kokade harts i en kittel som var täckt med filtar. Efter kokningen vred man ur filtarna och fick sedan en olja som varit i hartsen. Trots detta verkar destillationskonsten vara äldre än så. Tyvärr går uppgifterna i sär om vilka som varit först med att destillera men äran brukar tillskrivas araberna, egyptierna eller kineserna, dock handlade det inte om spritdestillering utan om destillering av örter och blomblad till parfym. Araberna hade i alla fall en stor roll i spridandet av destillationskonsten eftersom de behärskade stora delar av Sydeuropa, Nordafrika och Asien. Arabernas inflytande i destilleringskonsten är uppenbar. Orden alkohol och alambic är ord som kommer från arabiskan.
Äran att ha skapat den första utrustningen för vindestillering brukar tillskrivas den franske medicinprofessorn Arnault de Villeneuve (1240-1313). Det var även han som myntade ordet eau-de-vie. En av Villeneuves lärlingar, Raymundus Lullius (1235-1315), upptäckte att man kunde destillera destillatet flera gånger och på så sätt erhålla en ännu starkare dryck.

Teori bakom destillering
Den populärvetenskapliga teorin bakom destillering säger att man separerar vätskor med olika kokpunkt eftersom "den vätska med lägst kokpunkt börjar koka innan den vätska med högre kokpunkt". Som exempel brukar man även ange etanol som har kokpunkt 78°C och vatten som har kokpunkt 100°C. "Eftersom etanol har lägre kokpunkt så kokar den bort först", brukar det heta. Denna förklaring är inte korrekt.
För att förklara destillering måste vi införa en ny egenskap för vätskor, ångtryck.

Ångtryck
Alla vätskor och fasta ämnen utsätts för ett tryck av sin egen ånga. Trycket bildas ur avdunstningen av ämnet och kallas ångtrycket (eng. vapor eller vapour pressure) för ämnet. En vätskas ångtryck är också ett mått på dess flyktighet. Vatten har vid 19°C ett ångtryck på 16,5 mmHg och etanol har vid samma temperatur ett ångtyck på 40 mmHg. Eftersom etanols ångtryck är högre än vattens ångtryck vid samma temperatur, säger man att etanol är flyktigare än vatten. Ångtrycket för en vätska beror på (1) vilket ämne det är och (2) temperaturen på vätskan. Värms ett ämne så mycket att dess ångtyck blir lika stort som omgivningens tryck (101,3 kPa, 1 atm, 760mmHg, 1013mBar) börjar ämnet att koka.

I diagrammet är vattens ångtryck ritat som en funktion av temperaturen. Man ser att ångtrycket stiger ganska snabbt med temperaturen. Vid 100°C är ångtrycket 760mmHg, d v s lika med normalt atmosfärstryck. Rent allmänt säger man att vatten har en kokpunkt vid 100°C. Skulle man halvera atmosfärstrycket till 380 mmHg ser man att vatten kokar vid ca 82-83°C. Sänks omgivningens tryck ytterligare får vatten en ännu lägre kokpunkt.

Ångtryck i lösningar
Blandar man två eller flera ämnen som är lösliga i varandra så kommer ångtrycket för ämnet i lösning vara beroende av ångtrycket för ämnet i ren form och hur stor del av ämnet som finns i lösningen. Rent matematiskt beskrivs detta av Raoults lag (efter den franske kemisten François Marie Raoult, 1830-1901):

p_{A i lösning} = X_A · p_{A rent}

Där p_{A i lösning} är ångtrycket av ämnet A i lösningen, X_A är koncentrationen (här uttryckt i molfraktion) av ämnet A i lösningen och p_{A rent} ångtrycket av ämnet A i ren form.

Ångtrycket för hela lösningen kommer att vara lika med summan av alla lösningsångtrycken för de ingående ämnena:

p_total = p_{A i lösning} + p_{B i lösning} + p_{C i lösning} + ...

Exempel:
En etanol och vattenlösning som innehåller 12 vol.% etanol har sammansättningen X_Etanol = 0,042 och X_Vatten = 0,958. Vid 19°C är lösningens totala ångtryck:

p_total = p_Etanol + p_Vatten = X_Etanol · p_{Etanol rent} + X_Vatten · p_{Vatten rent} =
0,042 · 40 mmHg + 0,958 · 16,5 mmHg = 17,49 mmHg.

Så i lösning kan man inte skilja mellan de olika ingående vätskorna. Är det blandat så är det blandat. Man måste se den nya lösningen som en helt ny vätska, inte som en vätska bestående av olika delar. Eftersom den nya vätskan kommer att ha ett nytt ångtryck kommer den nya vätskan även att ha en annan kokpunkt. Det är därför "den populärvetenskapliga destillationsteorin" är felaktig. I en etanol vattenblandning kokar inte etanolen bort först vid 78°C, utan hela lösningen kommer att koka vid en punkt som ligger någonstans mellan 78 och 100°C.
Däremot kommer ångan att ha en annan sammansättning än lösningen. Molfraktionen av det ämne med högst ångtryck är (nästan) alltid högre i ångan över en lösning än i själva lösningen. I exemplet ovan kommer etanolkoncentrationen vara högre i ångan ovanför vätskan än i själva vätskan. Samlar man i hop ångan och kondenserar den kommer den nya vätskan att ha samma sammansättning som ångan, d v s en högre molfraktion av det ämne med högst ångtryck.

Ångan över en etanol/vattenlösning på 10% kommer att bestå av ca 20% etanol och 80% vatten. Samlas den ångan in och kondenseras får man en ny lösning med sammansättningen 20% etanol, och detta är kärnan i destilleringen.

Fasdiagram
Om man ritar temperaturen som en funktion gasfas- och vätskesammansättningen får man ett fasdiagram eller, mer specifikt, ett kokpunktsdiagram.

Kokpunktsdiagrammet ovan beskriver (vid atmosfärstryck) de kemiskt sett mycket lika ämnena toluen och bensen. Bensen har högre ångtryck än toluen och har därför lägre kokpunkt (80,1°C) än toluen (110,6°C). X-axeln anger lösningens respektive ångans sammansättning i molbråk. Längst till vänster på x-axeln består lösningen endast av toluen och andelen toluen minskar då man går åt höger på x-axeln. Längst till höger på x-axeln består lösningen endast av bensen och denna andel minskar då man går från höger till vänster. Väljer man 0,2 punkten till vänster på x-axeln så består lösningen av 0,2 toluen och 0,8 bensen. Y-axlarna motsvaras av temperaturen och på vänster y-axel är toluens kokpunkt utmarkerad och på höger y-axel är bensens kokpunkt utmarkerad. Mellan de båda kokpunkterna är två linjer dragna. Den undre linjen kallas vätskekurva. Temperaturen under den linjen är så låg att hela systemet befinner sig i vätskefas. Den övre linjen kallas gaskurva. Temperaturen över den linjen är så hög att hela systemet befinner sig i gasfas. Området mellan linjerna finns lösningen i både vätskefas och gasfas. Detta område kallas även tvåfasområde.

Destillering
Om man skulle destillera en lösning med molfraktionen 0,2 toluen så följer man 0,2 på x-axeln uppåt tills man kommer till vätskekurvan.

Läser man av temperaturen på y-axeln får man kokpunkten för vätskan med den aktuella sammansättningen. Går man däremot till höger vid punkten kommer man så småningom att möta gaskurvan. Läser man av på x-axeln under skärningspunkten så ser man att gasfasen kommer att ha en annan sammansättning. Gasen innehåller mer (x=0,47) av det ämne med lägst ångtryck (bensen) och detta är själva kärnan i destilleringen. Samlar man i hop ångan och kondenserar den kommer den nya vätskan att ha sammansättningen x=0,47, dvs vi har erhållit mer av den vätska med lägst ångtryck (kokpunkt).

Låter man destillationen fortgå kommer efterhand lösningens sammansättning att ändras. Eftersom det lättflyktiga ämnet (bensen) försvinner kommer vätskesammansättningen att ändras (förskjutas åt vänster). Detta resulterar i att gassammansättningen också ändras (förskjuts åt vänster). Destillerar man över all lösning så kommer destillatet att ha samma sammansättning som den ursprungliga lösningen. Vill man ha någorlunda separering måste destillationen avbrytas innan all lösning kokat över. Det är naturligtvis helt meningslöst att koka över all lösning eftersom man inte uppnått något med hela förfarandet. Dessutom är det ett rent energislöseri.
Destillerar man destillatet igen så erhålles ännu en anrikning av det lättflyktiga ämnet.

I diagrammet har man fått en vätska med samma sammansättning som gasen. Destilleras den nya vätskan går man till höger i diagrammet tills man möter gaslinjen igen. Den nya kondenserade gasen kommer att ha sammansättningen x=0,74 efter den andra destillationen. Destilleras den nya vätskan igen får man en ny vätska med sammansättningen x=0,90 o s v. Ur diagrammet så ser man att man kan få ett destillat med sammansättningen x=0,95 efter 4 destilleringar.

Kolonndestillering
I stället för att samla ihop destillat och destillera igen om och om igen kan man utföra destillationen i en kolonnapparat.

Bilden visar en typisk kolonnapparat med flera bottnar. Varje botten består av en platta med hål som dels kan släppa igenom ånga och låta vätska som bildats rinna ned till föregående botten. Kolonnen behöver inte bestå av de bottnar som visas i skissen, utan den kan även vara fylld med en kolonnfylling, bestående av t ex glaskulor eller porslinsringar. Principen blir den samma.

I en destillationskolonn eller kolonnapparat sker de upprepade destillationerna i en process. Lösningen som skall destilleras hälls ned i kokaren och värms. Dä vätskan kokar bildas ånga som leds uppåt i kolonnen. Då ångan når den första bottnen kondenseras den till vätska. Då mer ånga når bottnen värms den nykondenserade vätskan upp igen och fortsätter sin färd upp till nästa botten där hela processen återupprepas igen.

I en kolonnapparat sker alltså en massa små destillationer längs hela kolonnens höjd och man kan därför få ett mycket rent destillat med en kolonnapparat.

Destillation av etanol-vatten
I bensen-toluen systemet ovan var de ingående ämnenas kemiska egenskaper ganska lika men i systemet etanol-vatten är det påtagliga skillnader mellan ämnena. Detta kan resultera i en hel del konstigheter vid destillation.

Ur kokpunktsdiagrammet för etanol-vatten ser man att det finns ett kokpunktsminimum vid x=0,89. Detta innebär att man inte kan destillera en etanol-vattenlösning till x=1,00 oavsett hur många gånger man destillerar. När lösningen når x=0,89 kommer långan och vätskan att ha samma sammansättning så vidare destillering blir helt meningslös. (Molbråket x=0,89 motsvarar 95,6 vol.% etanol.) Man säger att etanol och vatten bildar en azeotrop vid x=0,89 (95,6vol.%).

Olika typer destillationsapparater

Retort
Retorten är den enklaste av alla destillationsinstrument.

Den består av ett kärl med en lång böjd hals som leds ner i en kolv (förlaget) som i sin tur är nedsänkt i kallt vatten eller snö. De är vanligtvis gjorda av glas och används uteslutande i laboratorium för småskalig destillation. När vätskan kokar leds ångan ned i förlaget där den kondensras. Denna anordning har alltså ingen egen kylare utan förlaget fungerar även som en kylanordning. Retorten var ett instrument som användes av alkemisterna och av kemisterna fram till 1800-talet.

Pot-still
Pot-still apparaten är den gamla klassiska destillationskannan och används vid framställning av de ädla spritsorterna som whisky, cognac och rom.

De är för det mesta gjorda av koppar och mycket vackra att titta på. En typisk pot-still anordning för cognacdestillation är uppbyggd enligt bilden. Den består av en kokare som vanligtvis är inbyggd i en ved- eller koleldad tegelugn. Ångorna från kokaren leds vidare via destillationshatten och "svanhalsen" till kylaren. Kylaren består av en stor behållare med kylmedium som vanligtvis är vatten. Ångorna leds ned i kylaren och in i ett spiralsystem där ångorna kondenseras till vätska. Destillatet tappas ut vid kylarens botten till ett uppsamlingskärl. Efter det kan destillatet destilleras om eller lagras. Vissa cognacproducenter använder en specialvariant av denna apparat där ångorna, innan de når själva kylaren, via rör leds in i en behållare med vin som skall destilleras senare. I denna process blir vinet som skall destilleras härnäst lite uppvärmt och detta betyder att det inte behövs lika mycket energi för att värma upp vinet vid destillationen eftersom det redan blivit lite uppvärmt. På samma gång så blir ångan lite förkyld så det behövs inte lika mycket kylmedium för att kondensera den.
Pot-still apparater i Skottland ser i stora drag ut som de i Cognac men med små skillnader. De har inte lika utpräglad kula på destillationshatten. I bland är kulan helt utjämnad så ångorna leds rakt upp. Svanhalsen brukar heller inte vara så framträdande som de i Cognac. Whiskeyproducenter i Skottland har vanligtvis sin egen lilla specialvariant av pot-still som ger deras whisky en speciell karaktär, men rent vetenskapligt är skillnaderna obetydliga.

Kolonnapparat Coffey
Kolonnapparaten eller Coffey-still är uppkallad efter Aeneas Coffey, skotsk destillatör. Jämfört med en pot-still kan i en Coffey-still destillation ske kontinuerligt, man behöver inte avbryta destillationen och fylla på ny mäsk. Destillatet är också mycket renare än destillat från en pot-still. Coffey-still varianter används idag till framställning av vodka, gin, amerikansk whiskey, rom och grain whisky.

Bilden visar en typisk Coffey-still från patentet år 1832. Dagens Coffey-stills fungerar fortfarande efter samma princip.
Den består av två parallella kolonner. Vid 'mäsk IN' fylls mäsk på som sedan leds via rören till den vänstra kolonnen där den droppar ut på bottnarna. Het ånga förs in vid bottnen på den vänstra kolonnen som värmer upp mäsken. Vatten, finkeloljor, mineraler och andra mäskbeståndsdelar transporteras ut som vätska medan etanol- och vattenångor transporteras till den högra kolonnen där ångan separeras ytterligare. Samtidigt som ångan kyls värms mäsken upp. Eventuell vatten och finkel transporteras ut via avloppet och lågkokande föroreningar (metanol, acetaldehyd) transporteras ut via toppen på den högra kolonnen. Etanolen som tappas ut har mycket hög renhet.

Kolonnapparat armagnac
Alambic armagnacais eller Alambic d'armagnac kallas den mycket speciella destillationskanna som man destillerar armagnac ur. I princip är den ganska lik pot-still apparaten, men den består även av en mindre kolonn och den kan destillera kontinuerligt.

Vin från en behållare leds genom kylaren vidare till kolonnens topp där den droppas ned till kokaren. Då ånga bildas leds den genom kolonnen. Där tar den för utom etanol, även smak- och aromämnen från vinet vilket ger armagnac dess speciella fruktiga smak. Då ångan når kylaren kondenseras den och leds ner till ett uppsamlingskärl för lagring.
Det speciella med denna destillationskanna är att vinet fungerar som kylmedium vilket innebär att producenten återanvänder energi eftersom kylmediumet värms upp då ångan kondenseras. En annan intressant sak är att ångan som bildas i kokaren kommer i kontakt med nytt vin i kolonnen hela tiden så destillatet blir väldigt smakrikt och fruktigt. Kolonnen på denna apparat är relativt kort så någon större separering sker inte, destillatet har vanligtvis en alkoholhalt mellan 55-60(vol.)%.

Referenser
Atkins, P.W., Physical Chemistry 5th ed. 1995. Oxford University Press.
Hägg, Gunnar, Allmän och oorganisk kemi. 1966. Almqvist & Wiksells.
Jackson, Michael. Stora boken om Whisky. 1987. Doring Kindersley.
Ray, Cyril. Alla dessa drycker. 1977. Wezäta Förlag.
Umland, Jean B. General Chemistry. 1993. West Publishing Company.
Wikland Sten, På butelj och fat 3:e uppl. 1967. P.A. Nordstedt & Söner.

[Kents Spritskola]
Uppdaterad 2005-08-08
© Kent Persson 1996-2005