Destillieren. Apparatur zur Destillation von Alkohol

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1 Destillieren Die Destillation (von lat. destillare "herabträufeln") war schon bei den alten Ägyptern bekannt. Die einfachste Destillationsappartur bestand aus einem Gefäß mit einem Deckel, an dem sich beim Erhitzen die kondensierte Flüssigkeit niederschlug. Damit die Flüssigkeit nicht wieder in das Gefäß zurücktropfte, verwendete man Wollbausche, die die Flüssigkeit aufsogen. Auf diese Art und Weise gewannen die Handwerker schon früh mit Hilfe einer vergleichsweise primitiven Apparatur etherische Öle. Apparatur zur Destillation von Alkohol Die alten Griechen kannten schon den Destillierhelm (griech. ambix, lat. alembicus, arab. al-anbiq). Von diesen Bezeichnungen leitete sich der alchemistische Begriff Alembicus ab. In diesem Gerät gelangte der Dampf über ein dünnes Rohr in eine kugelförmige Erweiterung, an deren Boden sich ein Ablauf befand. Die Kühlung des Dampfes erfolgte durch die relativ große Oberfläche der Kugel und die angrenzende Luft.

2 Prinzip des Alembicus Die Destillationstechnik wurde im ersten Jahrtausend nach Christus vor allem von den Arabern weiterentwickelt. Sie führten das schonende Erhitzen im Wasserbad und auch die Wasserdampfdestillation zur Herstellung von etherischen Ölen und Duftölen aus Kräutern ein. Im 10. und 11. Jahrhundert waren große Öfen gebräuchlich, auf die viele kleine Destillationsapparaturen gestellt wurden und gleichzeitig betrieben werden konnten. Derartige Konstruktionen hießen Galeerenöfen. Galeerenofen im Deutschen Museum München Die Alchemisten des Mittelalters verbesserten die Kühlleistung der Apparaturen und entwickelten die Serpente, ein Apparat mit sehr langem Dampfrohr. Bei der Retorte war der Destillierhelm mit dem Kolben zu einem Stück verschmolzen und mit einem langen Kühlrohr verbunden.

3 Alchemistische Destillationsapparaturen teilweise mit langem Dampfrohr (Serpente) Retorte mit Ofen und Sandbad aus dem Deutschen Museum München Bei den verbesserten Apparaten mit Wasserkühlung wurde das Kühlrohr verlängert und durch ein Wasserfass geleitet oder es befand sich um den Destillierhelm eine große Wasserschüssel. Diese Apparatur hieß Mohrenkopf, da die Kühlschüssel wie ein Turban aussah. Bei dieser Art der Wasserkühlung lief das verlängerte Kühlrohr durch ein Wasserfass "Mohrenkopf" mit Wasserkühlung um den Destillierhelm Mit der Entdeckung des Alkohols im 12. Jahrhundert erhielt man eine brennbare Flüssigkeit, die in der Medizin eine breite Verwendung fand. Zur Herstellung von hochprozentigem Alkohol musste Wein mehrere Male destilliert werden. Später setzte man auch Kräuter bei der Alkoholdestillation zu und erhielt Kräuterextrakte. Der Holzschnitt stellt einen Betrieb im 16. Jahrhundert zur Alkoholherstellung dar. Links zerkleinert eine Frau Kräuter, die dann mit Alkohol destilliert werden. Die Frau rechts füllt die Extrakte in Flaschen ab:

4 Herstellung von Alkohol und Kräuteressenzen im 16. Jahrhundert Prinzip der Destillation Bei der Destillation werden Flüssigkeitsgemische durch Erhitzen getrennt. Die Flüssigkeit mit dem niedrigeren Siedepunkt verdampft beim Hochheizen zuerst und kann nach dem Kondensieren des verdampften Gases durch ein Kühlsystem wieder aufgefangen werden. Dies soll am Beispiel der Destillation von Wein, dem "Schnapsbrennen", aufgezeigt werden (>Schülerübung): Siedetemperatur von Ethylalkohol: 78 C Siedetemperatur von Wasser: 100 C In unserem Beispiel würde der Alkohol theoretisch bei 78 C verdampfen, während das Wasser zunächst zurückbleibt. In der Praxis ist es aber so, dass bei 78 C auch schon ein Teil des Wassers verdampft, weshalb man nie reinen Alkohol erhält. Außerdem ist zu berücksichtigen, dass am Anfang der Destillation, dem sogenannten Vorlauf, auch noch Methanol überdestilliert. Methanol besitzt eine Siedetemperatur von 64,5 C und kommt in schlecht vergärtem Alkohol gelegentlich vor. Da Methanol giftig ist, muss der Vorlauf verworfen werden. Beim Siedepunkt geht eine Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand über, die flüssige und die gasförmige Phase stehen dann in einem thermodynamischen Gleichgewichtszustand. Da der Siedepunkt vom Außendruck abhängig ist, gelten die tabellarischen Werte für den Siedepunkt eines Stoffes bei einem Normaldruck von 1013mbar. Beim Erreichen des Siedepunktes unter Normalbedingungen entspricht der Dampfdruck einer Flüssigkeit dem äußeren Druck von 1013mbar. Beim Erwärmen einer Flüssigkeit wird die zugeführte Wärme zunächst zum Aufheizen der Flüssigkeit verwendet. Je mehr sich die Temperatur der Flüssigkeit dem Siedepunkt nähert, um so mehr wird die Wärme zum Verdampfen der Flüssigkeit verwendet. Beim Erreichen des Siedepunktes steigt die Temperatur für längere Zeit nicht mehr an, sie bleibt konstant. Die zugeführte Wärme dient dann nur noch dem Verdampfen der Flüssigkeit. An der konstant bleibenden Temperatur erkennt man das Erreichen des Siedepunktes.

5 Da der Siedepunkt eines Stoffes mit abnehmendem Druck (und daher auch bei zunehmender Höhenlage sinkt, vgl. Abbildung), werden Destillationen auch unter Vakuum durchgeführt. Die Abnahme des Druckes erniedrigt die Siedetemperatur, so dass weniger Energie beim Heizen aufgewendet werden muss. Bild vergrößern Eine einfache luftgekühlte Destillationsapparatur lässt sich aus einem Destillierkolben, einer Heizung (Brenner, Herdplatte) und einem luftgekühlten Rohr bauen. Zur Verbesserung der Kühlleistung wird meist der Liebigkühler eingesetzt, ein einfaches ummanteltes, mit Wasser gekühltes Rohr. Der Wasserzufluss erfolgt stets an der tiefsten Stelle des Kühlers (andere Kühlerbauweisen siehe >Kühlen). Der Thermometer misst die Temperatur des verdampften Stoffes, im Kühlrohr kondensiert der erhitzte Dampf wieder zu einer Flüssigkeit. In der Vorlage fängt man das erhaltene Destillat auf. Die nachfolgende Apparatur eignet sich zum Destillieren von Wein als Schülerübung (>Anleitung):

6 Aufbau einer einfachen Destillationsapparatur mit einem luftgekühlten Kühlrohr Bei der fraktionierten Destillation können mehrere Komponenten eines Flüssigkeitsgemisches getrennt werden. Voraussetzung ist das Vorliegen unterschiedlicher Siedetemperaturen der verschiedenen Flüssigkeiten. Eine einfache, fraktionierte Destillation lässt sich mit einer Schliffapparatur und einer sogenannten "Spinne" als Vorlage durchführen. Ein Alkohol-Wasser-Gemisch wird zunächst auf die Siedetemperatur des Alkohols erhitzt, wobei sich im ersten Rundkolben der Vorlage als Destillat der Alkohol sammelt. Nun wird die Spinne gedreht und auf die Siedetemperatur des Wassers hochgeheizt. In dem zweiten Rundkolben sammelt sich dann das Wasser. Auf diese Art und Weise können mit der dargestellten Apparatur vier Fraktionen abgetrennt werden:

7 Fraktionierte Destillation mit drehbarer "Spinne" und Möglichkeit zur Evakuierung Bei der Vakuumdestillation wird die Apparatur am Vakuumvorstoß mit Hilfe einer Pumpe evakuiert. Da die Apparatur implodieren kann, muss eine Schutzbrille getragen werden. Außerdem dürfen nur relativ kleine Rundkolben verwendet werden, die speziell dafür erhältlich sind. Die Vakuumdestillation eignet sich auch für Stoffe mit hohem Siedepunkt und für Stoffe, die sich bei höheren Temperaturen leicht zersetzen. Die Herabsetzung des Drucks verringert die Siedepunkte der verwendeten Stoffe. Die beschriebene Destillationsapparatur eignet sich nicht für eine kontinuierliche, fraktionierte Destillation. Will man zum Beispiel ein Gemisch vieler Stoffe wie Erdöl destillieren, dann müsste die Vorlage jedesmal gewechselt und gereinigt werden. Bei der fraktionierten Gegenstromdestillation sammeln sich auf sogenannten "Glockenböden" Fraktionen eines bestimmten Siedebereichs, die laufend entnommen werden können.

8 Vergrößerte Ansicht einer Glockenbodenkolonne Der aufsteigende Dampf durchperlt die Glockenböden, die eine bestimmte Temperatur besitzen. Dabei kondensieren alle Stoffe mit einem höheren Siedepunkt in der Flüssigkeit im Glockenboden. Durch die seitlich liegenden Hähne können die einzelnen Fraktionen entnommen werden. Durch seitlich angebrachte Schraubverschlüsse können Thermometer eingeführt werden, um die Temperatur der Fraktionen zu messen. Ist der Glockenboden voll, fließt die Flüssigkeit durch einen Überlauf in den Kolben zurück. Mehrere Glockenböden bilden eine Kolonne.

9 Fraktionierte Gegenstrom-Destillation mit Glockenbodenkolonnen Diese Technik wird auch im großindustriellen Maßstab bei der fraktionierten Erdöldestillation angewandt. In einem Röhrenofen wird das Rohöl auf über 400 C erhitzt und weitgehend verdampft. Im Destillationsturm durchperlt der aufsteigende Rohöldampf die Glockenböden. Man erhält verschiedene Fraktionen, die alle weiterverarbeitet werden und wichtige Zwischenprodukte in der organischen Chemie darstellen (>Arbeitsblatt).

10 Fraktionierte Destillation von Erdöl im Destillationsturm Beim Destillieren reichern sich die leichtflüchtigen Besandteile mit niedrigem Siedepunkt in der Dampfphase an. Kondensiert man den Dampf in einer Kolonne weiter oben und destilliert man erneut, so verbessert sich die Trennung der leichtflüchtigen Bestandteile. Dieses Prinzip kann in einem einzigen Arbeitsgang durchgeführt werden, wenn man dem aufsteigenden Dampf kondensierte Flüssigkeit entgegenströmen lässt. Dieses Verfahren heißt Rektifikation. Es wird mit einer Vigreux-Kolonne durchgeführt und ermöglicht eine besonders effektive Trennung von flüssigen Stoffgemischen.

11 Rektifikation unter Verwendung einer Vigreux-Kolonne Bei der Wasserdampfdestillation reißt der Wasserdampf andere Flüssigkeiten (oder sogar Feststoffe) mit sich, die eine höhere Siedetemperatur haben oder in Wasser nicht löslich sind. Dies wird entweder durch das Erhitzen eines Gemisches aus Wasser und dem zu trennenden Stoff oder durch das Einleiten von Wasserdampf in das Stoffgemisch erreicht. Eine einfache Wasserdampfdestillationsapparatur besteht aus einem Wasserdampfentwickler, der Dampfleitung, einem Kolben für das Destillationsgut und einem nachgeschalteten Kühler mit Vorlage. Die nachfolgende Apparatur eignet sich zur Gewinnung von etherischen Ölen aus Lavendel- oder Rosmarinblüten als Schülerübung (>Anleitung):

12 Apparatur zur vereinfachten Wasserdampfdestillation für die Schule Empfehlenswerte Software >Labormaker zum Zeichnen von Versuchaufbauten (Internet) Copyright: T. Seilnacht