Az etanol, vagy etil-alkohol, az egyik legismertebb és legelterjedtebb szerves vegyület, amelynek előállítása és felhasználása évezredes múltra tekint vissza. Leggyakrabban alkoholos italok formájában találkozunk vele, de ipari jelentősége is kiemelkedő, hiszen számos vegyi folyamat alapanyagaként, oldószerként és fertőtlenítőszerként is szolgál. Ez a cikk az etanol előállításának különböző módszereit, kémiai tulajdonságait, valamint sokrétű felhasználási területeit mutatja be.
Az etanol kémiai jellemzői és előfordulása
Az etanol (C2H5OH) kémiailag egy egyértékű, telített alkohol, a metanol után a homológ sor második tagja. Színtelen, jellegzetes szagú és ízű, könnyen folyó folyadék. Kiválóan elegyedik vízzel, éterrel, kloroformmal és glicerinnel is, valamint számos éteres olajjal. Levegőn nedvességet szív fel, és egyes sókból kristályvizet von el. Jól oldja a jódot és a brómot, kevésbé az elemi ként és foszfort. A gázok általában jobban oldódnak benne, mint a vízben.
Az etanol megtalálható kis mennyiségben természetes körülmények között is: bizonyos gyümölcsökben, az erjedő gyümölcsökben mindig, a friss kenyérben, a humuszban, a legtöbb természetes vízben, sőt, a cukorbetegek vizeletében is. Az élesztő gombák anyagcsere-folyamatának egyik mellékterméke is az etanol, így ahol élesztő működik, ott etanol is jelen van. Különösen a túlérett gyümölcsökben, valamint a szimbiotikus élesztő által termelt etanol a Eugeissona pálma virágzatában is kimutatható.
Az etanol enyhe oxidáció során acetaldehiddé, erőteljesebb oxidáció hatására pedig ecetsavvá (etánsavvá) alakul.
Az etanol előállításának hagyományos módszerei: a fermentáció
A legelterjedtebb és legegyszerűbb módszer az etanol előállítására a cukortartalmú oldatok élesztőkkel (Saccharomyces nemzetség) történő fermentációja, vagyis alkoholos erjedése. Ez egy oxigénmentes, hőtermelő kémiai reakció, melynek során a cukor (glükóz, fruktóz, szacharóz) etil-alkoholra és szén-dioxidra bomlik.
A folyamat alapanyagai lehetnek a cukrok (pl. szőlőcukor, gyümölcscukor) vagy a keményítőtartalmú növényi részek, mint például a kukorica, búza, árpa vagy burgonya. Ha keményítő alapanyagból indulunk ki, azt előbb cukorrá kell alakítani, hogy az élesztő számára hozzáférhetővé váljon. Ezt a keményítőt általában alfa-amiláz enzimmel kezelik. Az exoenzim számos mikroorganizmussal, például Bacterium licheniformis, Bacterium subtilis vagy Aspergillus niger törzsekkel megtermeltethető.
A keményítő hidrolíziséhez, vagyis az enzimek hatásának elősegítéséhez a keményítőt elő kell készíteni. Ezt gyakran speciális, úgynevezett Henze-edényben végzik, ahol forró gőzt fúvatnak a keményítőre zárt térben, majd felfőzik. Az így keletkező ragadós, csirizszerű masszát kihűtik, és hozzáadják az amilázt. Az enzim elvégzi a keményítő hidrolízisét, amitől a csiriz elfolyósodik. Ezt a vizes oldatot juttatják a fermentorba, ahol az élesztő a cukrokból etanolt állít elő.
A fermentáció folyamata 3 naptól 30 napig terjedhet, és elő-, közép- és utóerjedési időszakokra osztható. Az élesztőgomba általában legfeljebb 15-18% (V/V) etanoltartalmú oldatban képes megélni. Ezt a koncentrációt a fermentorban érik el, mely általában 14-16%-os alkohololdatot eredményez.
Ipari etanol előállítás: a desztilláció és a finomítás
Az ennél töményebb alkoholt desztillálással állítják elő, kihasználva azt a fizikai tulajdonságot, hogy az etanol forráspontja (78 °C) alacsonyabb a víz forráspontjánál (100 °C). A desztillációs folyamatot, népies nevén "pálinkafőzésnek" is nevezik, és az emberi fogyasztásra szánt alkohol tisztítását célozza.
Az egyszerű desztillálással előállítható legtöményebb etil-alkoholos oldat körülbelül 96 (V/V)%-os, ez az ún. "tiszta szesz". Ennél magasabb koncentrációt egyszerű desztillálással nem lehet elérni, mert az etanol és a víz azeotrópos elegyet képez, ami azt jelenti, hogy együtt forrnak. A maradék 4% víz mindig együtt párolog az alkohollal.
A magasabb, 96%-nál is töményebb alkohol előállítására speciális eljárásokat alkalmaznak. Az egyik módszer a benzol vagy ciklohexán hozzáadása a desztilláció során. Ezek az anyagok az alkohollal és a vízzel egy hármas azeotróp elegyet képeznek, amelynek forráspontja jóval alacsonyabb az alkohol-víz azeotrópnál. Így a víz eltávolíthatóvá válik, és nagy töménységű alkohol marad vissza.
Egy másik eljárás során zeolit port kevernek az alkohol-víz elegyhez. A zeolit ásvány kristályszerkezetébe a kisebb méretű vízmolekulák behatolnak, míg a nagyobb etanol molekulák nem, így a zeolit szelektív szivacsként felszívja a vizet az alkoholból.
A réz szerepe a desztillációban
Az emberi fogyasztásra szánt alkohol, vagyis a pálinka előállítása során a desztillációnál kiemelt szerepet kap a tisztítás. Ennek egyik módja, hogy az alkoholt olyan eszközzel desztillálják, amely nagy felületű réz alkatrészeket tartalmaz. A tiszta vörösréz képes megkötni a kiinduló szerves alapanyagban található kén származékokat, amelyeket a gyümölcsben lévő fehérjék tartalmaznak.
Fontos megjegyezni, hogy a réz szerepe nem az acetaldehid etanolná redukálása, ahogy azt néha tévesen állítják. Éppen ellenkezőleg, a régi, oxidálódott (zöld rézrozsda, "grünspan") felületű réz lepárlóknál az első desztillálás során az alkohol a réz-oxid hatására acetaldehiddé oxidálódik, miközben a réz-oxid rézzé alakul vissza. Ez az acetaldehid és a kioldott réz-hidroxid alkotja a szúrós szagú "rézeleje" párlatot. Ezzel a módszerrel, forró alkoholos lemosással lehet egyébként régi réztárgyakat ismét fényessé varázsolni.
Elő- és utópárlat elkülönítése
A desztilláció során az első, azaz "előpárlat" elkülönítése is egy kulcsfontosságú lépés. Az előpárlat tartalmazza a fermentáció során kis mennyiségben keletkező acetaldehid és a kozmaolajok (nagyobb szénatomszámú alkoholok) nagy részét. Az acetaldehid forráspontja mindössze 20 °C, illékonysága pedig nagy, így viszonylag hamar kiválasztódik az etanolhoz képest. Az előpárlat a teljes desztillátum mintegy 1-2%-át teszi ki.
Érdekesség, hogy a metanol, bár forráspontja (65 °C) jóval alacsonyabb az etanolénál, elkülönítése az etanoltól kisüsti rendszerű desztilláló-készülékekkel gyakorlatilag nem lehetséges. Ennek oka, hogy illékonysága megközelítőleg azonos az etanoléval, bár a forráspontja alacsonyabb, poláris szerkezete miatt erősebben kötődik a vízhez. Ezzel szemben a kozmaolajok, mint apolárisabb vegyületek, kevésbé kötődnek a vízhez és előbb távoznak. Híg alkohol-víz elegyek (< 20%) esetén a metanol inkább az utópárlatban dúsul fel, míg közepes etanol koncentrációnál (kb. 50%) a metanol nagy része az etanolban marad.
A lepárlási folyamat: A lepárlás áttekintése: Új lepárlók 101
Az etanol ipari felhasználása
Az alkoholtartalmú italok készítésén kívül az etanolt széles körben használják az iparban.
Üzemanyagként: Bioetanol
Az egyik legjelentősebb felhasználási területe a bioetanol, amelyet elsősorban üzemanyagként, benzin helyettesítésére vagy adalékaként használnak. A kukoricából előállított E85 bioetanol oktánszáma 104-105, azonban fűtőértéke körülbelül 30%-kal alacsonyabb a benzinénél. Az etanoltermelés hatékonysága folyamatosan javul, ma már 1 tonna keményítőből 400-420 liter tiszta, vízmentes etanol állítható elő. A modern technológiák lehetővé teszik nulla szennyvízkibocsátású, a fermentáció során keletkező CO2-t 100%-ban elnyelő, sőt, a kondenzvizet és a pára energiatartalmát is visszaforgató üzemek felállítását.
Oldószer és extrahálószer
Az etanol kiváló oldószer számos szerves vegyület számára, ezért széles körben alkalmazzák oldószerként és extrahálószerként a vegyiparban, a gyógyszeriparban és a kozmetikai iparban.
Fertőtlenítőszer
Az etanol 70%-os vizes oldata, valamint egyéb etanoltartalmú oldatai hatékony fertőtlenítőszerek, különösen bőrfertőtlenítésre használják. Elpusztítja a baktériumok jelentős részét, néhány vírust és gombafajt, azonban az eukarióta parazitákra és a baktériumspórákra hatástalan. Érdekesség, hogy a 70%-ostól eltérő (akár magasabb) koncentrációban a hatékonysága csökkenhet.
Vegyi alapanyag
Az etanol számos más szerves vegyület előállításának kiinduló anyaga. Például enyhe oxidációjakor acetaldehid, erőteljesebb oxidációjakor ecetsav keletkezik.
Denaturált szesz
Az emberi fogyasztásra szánt alkoholra kivetett magas adók elkerülése érdekében az ipari célokra használt etanolt denaturált szesszé alakítják. Ez azt jelenti, hogy különböző módszerekkel és adalékanyagok hozzáadásával teszik emberi fogyasztásra alkalmatlanná, anélkül, hogy eredeti ipari felhasználási tulajdonságait jelentősen befolyásolnák.
Kísérletek az etanol előállításával és tulajdonságaival kapcsolatban
A témához kapcsolódóan számos kísérlet végezhető el az etanol tulajdonságainak és előállításának megértéséhez:
- Ecetsav tesztelése: Az ecetsav savas kémhatású. Készítsünk indikátor oldatot, majd adjunk az ecetes indikátorhoz színváltozásig szódabikarbónát vagy sütőport. Ez demonstrálja az ecetsav savasságát és reakcióját egy bázissal.
- Élesztős erjesztés: Fél literes flakonba tegyünk 2 dl kézmeleg vizet, 1 kockacukrot és 1 dkg élesztőt. Húzzunk a flakonra egy lufit, és figyeljük meg a folyamatot. Az élesztőgombák a cukrot etil-alkoholra és szén-dioxidra bontják, a keletkező szén-dioxid pedig felfújja a lufit. Ez a kísérlet szemlélteti az alkoholos erjedés alapjait.
- Alkoholtartalom optimalizálása: Tervezzünk kísérletet (különböző cukorkoncentrációjú, vagy különböző hőmérsékletű vízben, vagy különböző cukrokat használva), amellyel igazolni tudjuk, hogy hány °C-on, illetve milyen koncentráció mellett keletkezik a legtöbb alkohol. Ez a kísérlet a fermentáció optimális körülményeinek kutatására irányul.
Az etanol hatása az emberi szervezetre
Bár az etanol számos pozitív felhasználási területtel rendelkezik, mértéktelen fogyasztása súlyos egészségügyi kockázatokkal jár. Enyhén mérgező vegyület, amely hosszabb távon károsan hat a májra, a vesére és az idegrendszerre, az agysejtek elhalásához, májzsugorodáshoz vezethet. Mértéktelen fogyasztása alkoholmérgezést és halált is okozhat. Krónikus alkoholistáknál az alkohol megvonása kényszerképzeteket, delirium tremenst okozhat.
Magyarországon kb. félmillió súlyos, idült, valamint további egymillió enyhébb, ún. látens alkoholista található. Az idült alkoholista olyan mennyiségű alkoholt fogyaszt rendszeresen, amit már elvonási tünetek nélkül képtelen abbahagyni. Az alkohol elvonás tünetei közé tartozik az alkohol utáni vágy, hiányérzet, nyugtalanság, remegés, hideg verejtékezés, szédülés, hallucinációk, görcsök, álmatlanság, idegkimerültség és a koncentrálóképesség hiánya. A leszokást könnyítendő, az orvosok gyakran nyugtatókat írnak fel, amelyek hatóanyagukat tekintve kemény drogoknak, kábítószereknek számítanak (pl. etoval, Rivotril, Tramadol).
A szervezetben az alkohol lebontása oxidációval történik. Először hidrogén elvonással acetaldehid keletkezik, majd további oxidációval ecetsavvá alakul, amelyet a szervezet az anyagcseréje során felhasznál. Rendszeres alkoholfogyasztás esetén először a hasnyálmirigy károsodik, melyhez gyakran megemelkedett gyomorsav szint társul. Az alkoholt lebontó máj csak ezt követően szokott megduzzadni, ekkor nyomásra érzékennyé válik. Későbbi stádiumban a máj szövetei elhalnak, helyüket zsírszövet vagy laza kötőszövet veszi át. A máj ebben a fázisban már nem érzékeny, és az alkoholt sem képes úgy lebontani, mint korábban.
tags: #alkohol #eloallitasa #szintezissel