Destillation

Die Destillation wird oft als Mittel genutzt, um gut schmeckenden Alkohol zu erhalten, besonders in Form von Whiskey oder Branntwein. Allerdings handelt es sich hierbei auch um eine der chemischen Trennmethoden, die regelmäßig verwendet werden.

Das Grundprinzip der Destillation – Funktion

Wie viele andere Trennmethoden beruht die Destillation auf den unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften der zu trennenden Stoffe. Dazu zählt unter anderem eben der Siedepunkt. Der Vorteil dieser Methode liegt darin, dass in den meisten Fällen keine weiteren Stoffe benötigt werden, die zum Beispiel als Lösungsmittel reagieren.

Abbildung 1: Der Aufbau einer Destillationsapparatur

Stattdessen wird das homogene Gemisch, die Lösung, erhitzt. Die Abbildung zeigt, wie eine solche Destillationsapparatur aussehen kann. Die zu trennende Flüssigkeit befindet sich dabei immer im Destillierkolben. In diesem Fall sind zusätzlich noch Siedesteine darin. Diese sind allerdings kein Muss, sondern sollen hier nur die Reaktion beschleunigen.

Mithilfe der Heizung wird die Substanz dann erwärmt, bis einer der Stoffe zu sieden beginnt und kondensiert. In seinem gasförmigen Zustand verflüchtigt er sich nach oben, von wo aus er in den Liebig-Kühler geleitet wird. Dieser besteht aus dem Kühlrohr, durch das das Gas geleitet wird, und einem Mantel mit Kühlwasser. Der aktuell gasförmige Stoff wird wieder flüssig und kann in einen Auffangbereich fließen. Die abgesonderte Flüssigkeit nennt man auch Destillat.

Die verschiedenen Arten der Destillation

Die grundlegende Funktionsweise der Destillation bleibt bei allen Methoden gleich. Allerdings lassen sich manche Stoffe nicht direkt beim ersten Mal vollständig trennen. Daher kommt es oft vor, dass mehrere Destilliervorgänge notwendig sind. Es gibt verschiedene Wege, wie dies nun geschehen kann. Im Folgenden lernst Du die wichtigsten Methoden kennen.

Die mehrstufige Destillation und Rektifikation

Häufig ist es wichtig, dass die zwei Stoffe so vollständig wie möglich voneinander getrennt werden. Besonders in homogenen Gemischen ist dies oft sehr kompliziert. Es kommt daher bei einer Destillation vor, dass mehrere Schritte notwendig sind. Man bezeichnet das allgemein dann als mehrstufige Destillation.

Abbildung 2: Mehrstufige Destillation

In einem Siedediagramm erkennst Du in diesem Fall dann Zickzacklinien, die auf den Reinstoffzustand (Stoffmengenanteil = 1) zusteuern. Je öfter Du den Destilliervorgang wiederholst, desto genauer wird die Trennung am Ende. Die Destillation ist dennoch nur bis zu einem gewissen Punkt möglich, und zwar da, wo sich die Siedekurve und die Kondensationskurve treffen.

In großtechnischer Umgebung wird die wiederholte Destillation auch als Rektifikation bzw. Gegenstromdestillation bezeichnet. Oftmals wird diese auch in Verbindung mit der fraktionierten Destillation gebracht.

Fraktionierte Destillation

Die Rektifikation wird häufig synonym für die Fraktionierte Destillation verwendet. Dabei gibt es jedoch einen wesentlichen Unterschied.

Während bei der Rektifikation in mehreren Schritten die Trennung von zwei Stoffen immer genauer wird, entstehen bei der fraktionierten Destillation mehr als nur zwei Einzelbestandteile. Diese werden als Fraktionen bezeichnet. So können aus einem homogenen Gemisch zum Beispiel vier und mehr verschiedene Stoffe herausdestilliert werden. Wichtig hierfür ist, dass das Gemisch nur einmal erhitzt wird. Zwischendurch kommt es daher zu unsauberen Zwischenphasen.

Vakuumdestillation

Die Vakuumdestillation ist eine Trennmethode, die häufig an andere Destillationsarten angeschlossen wird, da somit Rückstände ebenfalls noch verwendet werden können. Das Vakuum sorgt dabei dafür, dass die Siedetemperatur des Gemischs geringer wird, sodass die Stoffe schneller gasförmig werden. Dadurch können die Stoffe destilliert werden, die bei höheren Temperaturen zerstört würden. Auch bei der Erdölraffination wird dieses Verfahren an die Destillationskolonne angeschlossen, um noch die übrig gebliebenen Reste zu destillieren und die Ausbeute damit zu erhöhen.

Schleppdestillation

Diese Methode benutzt im Vergleich zu den anderen einen Trägerstoff, der genauso wie ein Lösungsmittel funktioniert. Oftmals handelt es sich dabei um Wasser, weshalb die bekannteste Variante auch Wasserdampfdestillation genannt wird. Dabei wird Wasser zum Sieden gebracht, in dem ein homogenes Gemisch gelöst ist. Das Wasser verflüchtigt sich mit dem ihn ihm gelösten Stoffe. Die wenig löslichen Reste hingegen bleiben zurück. Im Wasser werden die Stoffe anschließend extrahiert oder dekantiert.

Azeotrope Destillation

Bevor wir mit dieser Destillationsart beginnen, untersuchen wir zunächst, was unter einem Azeotrop zu verstehen ist:

So gibt man azeotropen Destillationen zum Beispiel einen Stoff hinzu, der mit dem abzutrennenden Stoff ein Azeotrop bildet. Diese Verbindung kann also nur gemeinsam sieden. Die Verbindung kann anschließend abdestilliert werden und der gesuchte Stoff bleibt zurück. In idealen Fällen zerfällt ein Heteroazeotrop beim Kondensieren anschließend in zwei Phasen, sodass auch das Lösungsmittel in diesem Fall simpel abgetrennt werden kann.

Kurzwegdestillation

Die Kurzwegdestillation ist eine ähnliche Version zur Vakuumdestillation. Hier wird hingegen in einem Bereich von 0,001 bis 1 mbar gearbeitet. Das entspricht einem Druck von einem Millionstel bis einem Tausendstel des Normaldrucks. Dadurch sieden viele Stoffe sehr schnell, wodurch diese Methode sehr schonend gegenüber temperaturempfindlichen Stoffen wirkt.

Der Vorteil besteht außerdem darin, dass schwer siedende Stoffe destilliert werden können, da auch bei ihnen der Siedepunkt deutlich herabgesetzt wird aufgrund des fehlenden Drucks von außen. Das gilt zum Beispiel für langkettige Kohlenwasserstoffe, deren Siedepunkte meist bei weit über 100 °C liegen.

Reaktivdestillation

Hier werden chemische Gleichgewichtsreaktionen mit der teilweise mehrstufigen Destillation kombiniert. Dabei spielt das Prinzip von Le Chatelier eine wichtige Rolle.

Die Reaktivdestillation wird vor allem verwendet, wenn man die Ausbeute einer Reaktion deutlich erhöhen will. Gleichzeitig können auf diese Weise Azeotrope wieder voneinander getrennt werden. Die notwendige Wärme für die Stofftrennung kommt oftmals aus der Reaktion selbst. Trotz der offensichtlichen Vorteile, wird die Methode bisher noch nicht sehr häufig angewendet. Das liegt vor allem daran, dass die Herstellung eines geeigneten Umfelds für die Reaktion und eine anschließende Destillation häufig sehr kompliziert sein können.

Die Destillation von Whiskey

Zum Abschluss beschäftigen wir uns noch einmal genauer mit der Herstellung von Whiskey. Die Trennung von Alkohol und Wasser wird in diesem Kontext auch als Brennen bezeichnet. Dem Namen entsprechend wird auch Branntwein auf diese Weise hergestellt.

Ziel dieser Methode ist nicht die vollständige Trennung der Stoffe, wie es rein chemisch oftmals der Fall ist. In dieser Situation soll eine angenehme Mischung aus Alkohol, Wasser und verschiedenen Aromen entstehen, die dem/der Konsument*in dann auch schmecken.

Abbildung 3: Die Destillation von WhiskeyQuelle: maltwhiskey.de

Die Abbildung zeigt eine Destille von Malt-Whiskey, bestehend aus zwei Stills. Als solche werden die Behälter bezeichnet, in denen die Destillation stattfindet. Begonnen wird mit Wash, das von der Konsistenz und Entstehung einem Bier entspricht, mit einem Alkoholgehalt von 8 bis 10 % vol.

Alkohol siedet schneller als Wasser. Bereits bei 78 °C im Wash Still auf der rechten Seite beginnt der Alkohol mit einigen anderen leicht siedenden Substanzen zu verdampfen. Dazu gehören auch Ester, die die Aromen mit sich bringen. Bei diesen Temperaturen verdampft auch eine gewisse Menge Wasser. Daher sind oftmals mehrstufige Destillationen notwendig.

Mithilfe eines Kühlers, der ähnlich wie der Liebig-Kühler in der obersten Abbildung wirkt, wird das Ethanol-Wasser-Gemisch wieder verflüssigt. Hier erkennst Du die Kühler an ihrer zylinderartigen Form, die jeweils von den Stills links und rechts wegführen. Von hier gelangt das Gemisch über einen Spirit Safe in die Low Wines. Es handelt sich dabei um ein Auffangbereich des unfertigen Whiskeys. Während dieser Station hat der Alkoholgehalt bis auf 20-25 % vol. zugenommen.

In einem Spirit Still erfolgt eine zweite Destillation, die dieses Mal kontrollierter und langsamer abläuft. Dadurch werden unerwünschte Stoffe im Spirit Safe getrennt. Chemisch betrachtet erhalten wir hier eine Fraktionierte Destillation. Die unerwünschten Stoffe für den Whiskey gelangen zurück in die Low Wines, weil sie vor allem für das Hervorheben der Aromen verantwortlich sind, die allerdings den Geschmack verschlechtern würden. Der entstehende Rohbrand hingegen wird gleich weitergeleitet und zum Abfüllen in Fässer vorbereitet. Er besitzt nun einen Alkoholgehalt von etwa 60 % vol. Eine Destillation sehr langsam durchzuführen, ist notwendig, um eine effizientere Trennung vorzunehmen.