#115 なんでスピリタスは100度じゃないの？越えられない96度の壁

スピリタスと96度の壁

こんにちは、かねまるです。

プラントライフは、化学プラントの技術者が、化学を軸に、皆さんの視野を広げていく番組です。

まず本編に入る前に、少し風邪気味っぽくて、鼻詰まりがあるので、お聞き苦しい点があるかもしれませんけど、ご了承ください。

深刻な感じではありません。

では本題に入りますと、皆さんスピリタスというお酒を知っていますか?

ウォッカの一つなんですけど、アルコール度数が96%っていう異常な高さのお酒です。

このお酒96%なんですけど、ものすごく高いアルコールで売り出すんだったら100%にした方がいいですよね?

とは言っても、お酒には96%を超えられない事情っていうのがあるんです。

それが共沸という現象です。

今回はこのアルコールを例に、共沸について話をします。

蒸留によるアルコール濃縮の基本

ビールとかワインに日本酒みたいな醸造酒っていうのは、だいたい度数が高くても十数パーセントですよね。

酵母が糖を食べてアルコールを出すんですけど、自分の出したアルコールで酵母自体が参ってしまうので、いけても15%とか20%くらいまでのものです。

だから単純に高い度数のアルコールが欲しいってなったら、酵母の力だけではできません。

そういう時に蒸留を使います。

学生の時に学んだでしょうか。

沸点の違いを使って蒸発によって分離する。これが蒸留です。

ただ、勘違いされやすいのは、沸点の低い方だけ蒸発してきて、沸点の高い方は蒸発してこないと思いがちですが、そういうわけではありません。

イメージしやすいのは、水は100度で沸騰しますけど、常温でも水は飛んでいきますよね。

そういうことです。

お酒に戻りますと、エタノールというアルコールが入っています。

エタノールの沸点は78.4度、水の沸点は100度。

これだけ見ると、蒸留した時にエタノールだけが飛んできそうですけど、一緒に水も飛んできます。

ただし、割合としてエタノールの方が多いということです。

そして、水も一緒に飛んでくるっていうことは、一回蒸留しただけだったら、きれいなエタノール100%は手に入らないんです。

正確な数字は言えませんが、

例えば、15%のエタノールを最初に作って、これを蒸留すると50%くらいのエタノールが手に入って、

蒸留して濃くなった50%のエタノールをもう一回蒸留して60%を作って、

60%をもう一回蒸留して70%を作るとか、

そんな感じで濃くなったのを何回も何回も蒸留を繰り返して、さらに濃くしていきます。

化学プラントでは、こういう蒸留を何回も繰り返して、純度を上げていくという操作を行います。

化学プラントの蒸留塔

実験室で行うような、容器の中にお酒を入れて蒸発させて上の方で冷やして、

微々冷却器で回収する。

そういうのだと、さすがに化学プラントだとスペースを取りすぎるので、上の方にどんどん伸ばしていきます。

蒸留塔と言うんですけど、ものすごく長い塔を建てて、その中にたくさん仕切りを入れて、

仕切り一つが蒸留1階分になるような設計になっています。

高いものだと100メートル近い高さになるものもあるそうです。

20メートル、30メートルの塔っていうのはよく見かけます。

化学プラントの夜景を見ていただくと、煙突の他に非常に高い塔がいくつも建っています。

それが主に蒸留塔と呼ばれるものです。

これ蒸留塔かなって、もし興味があれば、お近くの工場まで見に行ってみてください。

遠くからでもなんとなくわかると思います。

蒸留を行って、濃度が高くなったものをまた蒸留する。

これを繰り返すと、どんどん純度が上がって、エタノール100%が手に入りそうなんですけど、

96度の壁「共沸」のメカニズム

そうもいかない現象がありまして、共沸と言います。

蒸発した時の蒸気の濃度と液体の濃度が同じになるっていう意味なんですけど、

お酒で言うと、液体側のアルコール度数と蒸気のアルコール度数が同じになるんです。

それがアルコール度数96度の時、つまりは何度もお酒を蒸留してどんどん度数を上げていくものの、

96度まで上がったら、これ以上アルコール度数って変わんなくなるんです。

ずっと蒸発したものも液体側も96度のままなので、濃度が変わんなくなってしまいます。

そうなると蒸留で濃度を上げることができませんね。だからスピリタスは96度なんです。

原理的に限界まで攻めたお酒だったんです。

とはいっても、96度を超えた時のアルコールっていうのも存在します。

例えば、化学実験でエタノールを直接合成した時とか、そうやって100%に近いものを作ることもできます。

お酒として販売するものなのかっていうのは別としてですね。

96度を超えたアルコールを蒸発するとどうなるんでしょうか。

例えば、98%の高いアルコールを蒸発させると、液体よりも気体の蒸気側の方が水の割合が多くなるんです。

どういうことかっていうと、今までだったらアルコール度数の低いお酒を蒸留して蒸気を回収するとアルコール度数が高くなっていました。

それに対して、共沸点を超えるような非常にアルコール度数の高いお酒を蒸留すると蒸気はどんどんアルコール度数が低くなっていくんです。

最終的に共沸点の96度までアルコール度数は下がっていきます。

ただし忘れてはいけないのは、蒸留っていうのは蒸気と液体に分けます。

共沸点を超える96度より高いアルコールっていうのは、蒸留すればするほど液体側のアルコール度数がどんどん高くなっていきます。

話をまとめますと、アルコール度数が低いうちは蒸留でどんどんアルコール度数を高めることができます。

ただし96度になると途端に濃度が変わらなくなります。

そこでなんとかして96度を超えるとアルコール度数100%に近いものが作れるようになります。

ただし原理的にどんどん度数を上げていって96度を超えるっていうのは難しいんです。

ただしそれは蒸留に限ってのことです。

共沸という現象が起きる以上は蒸留では度数をどんどん上げることはできません。

96度を超える無水エタノールの製造法

じゃあどうするかっていう話ですよね。

薬局とか実験室に無水エタノールというものがあります。

無水っていうのは水がないと書いて無水。

この無水エタノールっていうのは99.5%以上のものが多いですかね。

つまりは共沸の壁を超えたものが普通に売ってあります。

どうやって作っているのかっていうと、吸着という処理をしています。

吸着っていうのは固体に分子を捕捉させるような処理でして、身近なものだと活性炭がありますね。

消臭剤の炭のことです。

炭のものすごく細かい穴の中に嫌な臭いの成分を吸着させて取り除きます。

無水エタノールの場合も吸着を使って細かい水を取り除いていきます。

この時に使われるのが主にモレキュラーシーブという固体です。

ゼオライトの仲間でして細かい穴がたくさん空いています。

その穴の中に水を吸着させて取り除きます。

水よりもエタノールの方が分子サイズが大きいので、

エタノールが吸着されなくて水だけが吸着できるっていう絶妙なサイズになっています。

ただしこういう吸着の操作っていうのは最後の濃度を極限まで上げたい時に使うようなものでして、

例えば15%のアルコールができた。

だからモレキュラーシーブで吸着させてそのまま100%までいきましょうっていうのは難しいんです。

まずは蒸留で濃度を上げていって、

ダメ押しで吸着でさらに濃度を上げていくっていうような使い方になります。

無水エタノールの用途とスピリタスが100%でない理由

おそらくスピリタスが96℃なのはコストが見合わないんだと思います。

あともう一つ、無水エタノールっていうのも放っておくと空気中の水を吸って戻ったりしますので、

スピリタスを頑張って100%の濃度まで近づけたとしても、だんだんとアルコール度数が下がってきちゃうんです。

一般的な飲み物としてはあまり向いてないですよね。

では、極限まで脱水したエタノールを何に使うかっていうと、

化学の分野だと反応の溶媒、溶かす液体として使ったりします。

化学反応でよく水に反応するものがあります。

ただ反応するといっても、失活っていう能力が下がるような方向になることが多いです。

つまりは、化学反応しようって思っても水があったら全然進まないってことが往々にしてあります。

だからエタノール以外にもいろんな溶媒は水を吸い込みやすいので、

先に脱水溶媒っていうのを作った後に反応させることがあります。

その脱水溶媒を作ることはできるんですけど、

試薬メーカーから購入することもできます。

ドラッグストアなどでも無水エタノールが売ってあるのは、

掃除用としても使えるからみたいですね。

ちなみに消毒用は80%ぐらいのアルコール度数なので、また用途は異なります。

エピソードまとめと関連回紹介

今回はスピリタスを例に挙げて、アルコール度数が上げられない理由について話しました。

96度っていう共沸点があるせいで、蒸留では度数が上げられなかったんです。

そこからモレキュラーシーブを使って残った水を吸着すると、

100%に近いアルコールが手に入るようになります。

スピリタスの豆知識、ぜひ使ってみてください。

そういえば最近、アルコールの話が多いんですよね。

たまたまなんですけど。

シャープ107の置換基の話では、化学構造式から見たアルコールの話でした。

続くシャープ108では、アルコールを油圧に使うっていう話をしました。

そしてシャープ112番では、お酒を飲んだ後体の中で分解して、

最終的にお酢の成分である酢酸に変わるっていう話をしました。

たまたまアルコールにまつわる話がいっぱいありましたので、

もし興味があればシリーズとして聞いてみてください。

エンディングと番組からのお知らせ

今回はここまでです。

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合わせてよろしくお願いします。

今回は少しお聞き苦しい点があったと思いますけど、

最後までお聞きいただきありがとうございました。