© The Mother Earth News, 1980
Construcción y uso de un alambique para etanolLa destilación consiste en separar un líquido de otros líquidos o de materiales sólidos. Cada substancia se evapora a una velocidad distinta, que depende de la presión que ejerce su vapor en un recipiente cerrado hasta llegar a un equilibrio con el líquido. Se puede separar un líquido de otro controlando cuidadosamente el calor aplicado a la mezcla. La presión de vapor del etanol es mayor que la del agua, y su temperatura de ebullición es menor.
Pero el punto de ebullición de una mezcla de agua y etanol se encuentra entre el punto de ebullición del etanol (78,3º C) y el del agua (100º C). Lo que determina el punto de ebullición es la proporción de los dos líquidos. Cuanto más etanol haya menor será el punto de ebullición, que estará más próximo a 78,3º C.
El vapor que se desprende de la mezcla al calentarla también es una mezcla de vapor de agua y vapor de etanol, en la que predomina el vapor de etanol.Por ejemplo, en una mezcla con un 10% de etanol y un 90% de agua, el vapor que desprenda contendrá un 80% de etanol. Para aumentar este porcentaje (y la pureza final) hay que condensar y reevaporar los vapores de agua y etanol. Así se aumenta la proporción de vapor de etanol hasta alcanzar el estado azeotrópico con una pureza de 95,57%. En dicho estado no se puede separar fácilmente con destilación el agua que aún permanece con el etanol.
Con la destilación directa la pureza del etanol, buena al principio, disminuye al disminuir también la proporción de vapor de etanol que llega al alambique. Los productores domésticos de licores mantienen la pureza añadiendo dobladores a sus alambiques. El doblador es un dispositivo donde se condensa la mitad del vapor de agua, doblando así la proporción de vapor de etanol que llega hasta el alambique. Aunque funcionan, los dobladores no son eficientes desde el punto de vista energético. La destilación es más eficiente colocando un alambique encima de otro, formando una columna de destilación.
La primera columna de destilación era un tipo de lo que se llama «alambique de platos de campanas de barboteo por lotes». La columna estaba dividida en tramos por unos platos, cada uno de los cuales tenía un agujero en el centro con una tubería corta ascendente que se prolonga hacia arriba directamente sobre el agujero. Sobre la tubería había un capuchón, o campana, que no tapaba completamente el extremo. Otra tubería, descendente, se prolongaba desde media pulgada sobre el plato hacia abajo hasta acabar una pulgada por encima del plato inferior. Se ponían ocho o más de estos platos.
Antes de empezar se llenaba la columna con pasta de fermentación para que todos los platos quedaran cubiertos por ella. Al calentar el vapor sube desde el plato inferior y atraviesa el líquido del siguiente plato obligado por los capuchones. El calor transferido al líquido por la condensación aumenta hasta la ebullición la temperatura del líquido del plato, de forma que el vapor resultante es más puro. Cuando el vapor alcanza el extremo superior de una columna de ocho o más platos, el etanol ya es bastante puro. Mientras sube el vapor, el agua condensada cae por las tuberías descendentes. Por eso se llama «flujo en contracorriente».
La siguiente mejora fue el desarrollo del alambique de funcionamiento continuo, con el que se puede conseguir una pureza constante desde el principio hasta el final de la destilación. En los primeros diseños la pasta de fermentación se introducía por el medio de la columna después de haberla precalentado casi hasta el punto de saturación. En el fondo de la columna había un recalentador para añadir presión y calor al sistema. Estas dos fuentes de calor servían para igualar las condiciones de la destilación en toda la columna. En cada plato había la cantidad adecuada de calor para los porcentajes de agua y etanol presentes.
Al introducir pasta de fermentación en la columna el etanol se evaporaba (junto con un poco de agua) y subía hasta el siguiente plato. En ese momento el agua (junto con un poco de etanol) se condensaba y caía al plato inferior. Con el tiempo el agua llegaba hasta el plato más bajo, y el etanol subía hasta lo alto de la columna. Con este método se puede continuar la destilación indefinidamente introduciendo más vapor por la entrada en mitad de la columna.
Este sistema ha dado lugar a tres diseños básicos de alambiques de equilibrio: columna de relleno, columna de platos perforados y columna de platos de campanas de barboteo. Los tres están basados en los principios de enriquecimiento por contracorriente.
La columna de relleno es el alambique de equilibrio más sencillo. Está compuesto por una cámara de combustión, una caldera, un tubo, relleno con un material que deje un 60-90% de espacio vacío, y un condensador.
Este es un ejemplo de cómo se puede construir: Construye una cámara de combustión y pon encima un recipiente de cien galones. Pon una puerta en lo alto del recipiente para poder llenarlo y limpiarlo. Sueldale a la caldera un tubo de 5" de dos pies de longitud. Sobre el tubo suelda un reductor y un tramo de tres pies de tubo de 2". Rellenalo con un material como lana de acero inoxidable, de latón o de cobre. Encima suelda un reductor de 3/4" para el condensador. Un alambique de este tipo genera etanol al 90%.
Este diseño tiene varias ventajas. Con algunas mejoras puede conseguir etanol al 95%, y puede funcionar continuamente o por lotes. A pequeña escala, son baratos y usarlos es fácil. Sin embargo a gran escala este diseño da problemas. Para un funcionamiento continuo la pasta no puede contener sólidos, porque se acumularían en la caldera. A gran escala el funcionamiento por lotes malgastaría mucho combustible.
La columna de platos perforados suele ser más barata que otros diseños porque basta con perforar agujeros en los platos. Es más sencillo que el diseño de platos de campanas de barboteo. El vapor pasa por los agujeros y es enfriado por el líquido que fluye a través de los platos. El etanol se mantiene en estado gaseoso y sube, mientras el agua se condensa y baja por los tubos de descenso.
Sin embargo este diseño tiene una desventaja importante. Hay que mantener una presión mínima dentro del alambique para evitar que el líquido de los platos baje hasta el fondo. Esto ocurre cuando la presión que mantiene al líquido en los platos es lo bastante pequeña para permitir que caiga por los agujeros. Si ocurre, la destilación se detiene y la pasta de fermentación sale por el fondo del alambique sin haber sido destilada. Por lo tanto este diseño es problemático si se calienta con madera o biomasa, que no proporcionan un calor constante.
El Dr. Paul Middaugh, de la Universidad de Dakota del Sur desarrolló un diseño de platos perforados bastante bueno. Empieza con dos tramos de 16 pies de longitud de tubo de pared delgada de 12". Prepara dieciocho platos (grosor de 1/8") con un diámetro igual al diámetro interior de la tubería. Taladra agujeros de 1/2" en cada plato hasta ocupar aproximadamente el 8-10% de su superficie (aproximadamente 50-57 agujeros). Monta la columna situando los platos dentro de uno de los tubos, separados en sí 10-1/2". Prepara otros 24 platos y taladra en cada uno de ellos entre 490 y 520 agujeros de 5/32" de diámetro. Monta la columna situandolas dentro del otro tubo separadas 7-1/2". En cada plato debe haber también un tubo de descenso de 1-1/8" de diámetro. Cada tubo de descenso sobresale 1-1/8" por encima de su plato.
La pasta de fermentación se bombea por el condensador para precalentarla y se deja caer por el extremo superior de la columna en la parte llamada «recalentador».
La columna de destilación con platos de campanas de barboteo es el diseño más moderno. Está basada en el principio descrito al principio de este capítulo. Este sistema presenta dificultades a los productores caseros. No puede haber sólidos en el líquido a destilar porque taponarían las campanas y las tuberías de descenso. Probablemente un alambique de este tipo requiera puertas para la limpieza entre plato y plato.
En algunos lugares la energía solar es una fuente viable de calor para la destilación. Las ventajas parecen obvias: la energía solar es gratuita e inagotable, y no contamina. Sin embargo las desventajas superan a las ventajas, a no ser que se esté en un lugar donde se sepa que brillará el sol. Por ejemplo, hay que destilar cuando haya terminado la fermentación, o se formará ácido acético en unos días. Se puede retrasar el deterioro añadiendo ciertas substancias, pero así aumenta el coste de producción del combustible.
Para producir una gran cantidad de etanol harían falta demasiados de colectores. La destilación sería demasiado lenta y el etanol resultante no sería muy puro.
El equipo de investigación de THE MOTHER EARTH NEWS construyó un collector siguiendo las especificaciones de Lance Crombie. El resultado fue muy desalentador: nunca conseguimos una pureza mayor al 10%.
El alambique solar funciona mejor si se precalienta la pasta de fermentación. Un panel solar de tubería de cobre ondulada puede precalentar la pasta hasta 48,8 - 82,2º C (120-180º F), dependiendo del tamaño del panel. Después, cuando la pasta entra en el alambique se evapora fácilmente.
Queda mucho que investigar hasta conseguir que un alambique solar produzca una gran cantidad de etanol. Para quien necesite poco combustible puede ser aceptable este método de producción, pero es conveniente tener una fuente de calor de reserva por si no brillara el sol cuando llegue la hora de destilar.
La columna de relleno está rellena de algún material que proporcione al vapor una superficie de contacto entre las fases de fraccionamiento. Existen tres tipos diferentes de relleno:
El alambique Madre Tierra es del tipo convencional. La columna está rellena de anillos Pall de 5/8 de pulgada, que proporcionan aproximadamente 131 pies cuadrados de superficie por pie cúbico y dejan un 90% de espacio libre para el gas.
Lo más habitual es montar la columna sobre la caldera e introducir el vapor por el fondo. La columna tiene que mantener la temperatura de equilibrio (un descenso de la temperatura, empezando con la temperatura de ebullición de la pasta de fermentación en el fondo, y terminando con 79,4º C (175º F) en lo alto, aproximadamente). Este método controla el equilibrio con la cantidad de calor que contiene el vapor introducido en la columna.
El alambique MOTHER aumenta la cantidad de etanol producido por hora introduciendo en la columna más vapor del que puede admitir. Parece una paradoja porque si se introduce demasiado vapor la columna se calentará demasiado. Para evitar este problema se incluyen dos intercambiadores de calor que mantienen el equilibrio térmico de la columna y mejoran la velocidad de la destilación de seis galones/hora a ocho galones/hora. A cambio hace falta más agua de refrigeración.
Este tipo de alambique se puede construir de dos maneras distintas. En la ilustración nº 1 el vapor es canalizado por una segunda columna para introducirlo en la columna principal a media altura. Inmediatamente se encuentra con el intercambiador de calor y su temperatura se reduce a 85º C (185º F). El vapor se condensa y el calor que sube desde el recalentador vuelve a evaporarlo. La presión parcial de vapor hace que se reevapore más etanol que agua, de forma que el etanol sube por la columna y el agua baja. Esta transición entre vapor y líquido se repite a lo largo de toda la columna (si se mantiene el equilibrio). Si llega algo de etanol al recalentador, se evapora y vuelve a la columna.
La segunda manera (ilustración nº 2) consiste en prescindir de la segunda columna y del recalentador, e introducir el vapor por el fondo de la columna. Todavía no se han hecho pruebas para comparar las ventajas y desventajas de cada diseño. Sin embargo el recalentador tiene la ventaja de que el agua separada del alcohol está limpia y caliente. Esta agua se puede utilizar en el siguiente lote de pasta de fermentación. Si no piensas utilizarlo continuamente probablemente sea mejor la opción de introducir el vapor por el fondo, porque así es más barato construir el alambique.
Ambos diseños tienen dos intercambiadores de calor dentro de la columna. También hay que poner termómetros precisos en los extremos superiores de los intercambiadores de calor. Si se quiere se puede automatizar el alambique.
Se puede construir en distintos tamaños. El principio de funcionamiento es el mismo. Se puede usar un recipiente mayor, y se puede aumentar el tamaño de la columna hasta ocho o diez pulgadas (mantén una proporción entre altura y diámetro de 24:1).
La cámara de combustión no tiene por qué ser metálica como la de MOTHER, puede ser de piedra o de ladrillo.
Para utilizar el etanol como combustible es suficiente con una pureza de 85% u 87%. Este alambique te proporcionará muchos galones por hora con esa pureza.
Antes de empezar el alambique tiene que estar nivelado y sobre un material resistente al fuego. Para utilizarlo dentro de un edificio toma todas las precauciones necesarias, que la chimenea saque fuera el humo de forma segura. Recuerda que debe haber por lo menos 18 pulgadas entre la chimenea y las paredes o cualquier material inflamable. Asegurate de que la chimenea esté recta y vertical en toda su longitud para que el humo salga sin dificultad.
Incluso si lo sitúas en el exterior aplica las mismas normas de seguridad. Despeja los alrededores de hojas o hierba seca, y asegurate de que la chimenea tenga por lo menos cinco pies de longitud. Esto ayuda a crear un tiro y que el fuego arda mejor.
Llena el depósito del alambique con pasta de fermentación y cierra bien la tapa.
Enciende fuego en la cámara de combustión y manténlo estable para que llegue al alambique un flujo de vapor constante. Recuerda que 250 galones de pasta de fermentación tardan muchas horas en alcanzar la temperatura adecuada.
Deja que empiece a pasar agua lentamente por los tres serpentines de refrigeración mientras la temperatura del vapor en el depósito se hacerca a 76,6 - 79,4º C (170 - 175º F). Es la temperatura del vapor que flota sobre el líquido, no la del líquido mismo.
Vigila la temperatura del serpentín más bajo. Cuando se hacerque a 80º C (176º F) el vapor estará listo para entrar en la columna. No permitas que la temperatura supere los 85º C (185º F), pero a esa temperatura está bien.
El serpentín de refrigeración superior debería estar a 79,4º C (175º F). Como el alcohol hierve a 78,7º C (173,8º F), y el agua a 100º C (212º F), sólo el vapor de etanol llegará al condensador que hay encima de la columna. El agua condensada caerá hasta el recalentador para ser redestilada.
El vapor se condensa cuando llega al condensador y sale, ya en estado líquido, hacia el recipiente que lo contendrá.
A partir de ese momento mide periodicamente la pureza del etanol. No olvides enfriar el etanol hasta 15,5º C (60º F) sumergiendo el recipiente en agua fría, para una medición más exacta. Si empieza a reducirse la pureza ajusta la temperatura de los serpentines superior e inferior a los valores óptimos para la destilación.
Probablemente los termómetros no sean totalmente exactos. Puede que tardes un tiempo en ajustar bien tu nuevo alambique. Al aumentar la temperatura de la caldera (que es una consecuencia de la pérdida de alcohol), también aumenta la temperatura de la columna. Para mantener la pureza del alcohol hay que enfriar más, especialmente en el serpentín superior. Deja que la temperatura del serpentín inferior llegue a 90 - 93,3º C (194 - 200º F) hacia el final de la destilación (después de cuatro horas), y luego, cuando ya no puedas mantener un buen caudal de salida, deja que aumente la temperatura del serpentín superior y cambia a un recipiente para alcohol de poca pureza.
250 galones de pasta de fermentación tardan cuatro horas en empezar a hervir, y otras cuatro horas en completar la destilación. El resultado es de veinte galones o más de etanol con una pureza de 90 - 95%, y un par de galones de etanol de menor pureza. Es posible hacer toda la destilación directamente y conseguir alcohol al 90%, pero llevaría mucho tiempo y sería un desperdicio de energía. En lugar de ello, termina rápido con el último galón y mezclalo con el siguiente lote, así ahorrarás muchas horas y leña.
También puedes drenar el líquido que quede dentro del alambique y ponerlo directamente en el en el siguiente lote de pasta de fermentación. Si el líquido aún está caliente puede que quieras empezar un nuevo lote inmediatamente. Incluso si se ha enfriado puedes aprovecharlo. Puedes aprovechar del mismo modo el agua caliente de los serpentines de refrigeración. Está a unos 71º C (160º F), y puede servir para calentar el siguiente lote de pasta de fermentación o incluso para complementar al sistema de calentamiento de agua de tu casa.
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