La fermentation opère la transformation du sucre en provenance des céréales, la distillation permet quant à elle, l’extraction de cet alcool à un état pur et concentré.
La bière ou vin renferment, en même temps que les produits de la fermentation, des levures et les matières non transformées par celles-ci. Les produits de la fermentation se composent en majeure partie d’un liquide hydroalcoolique avec une richesse en alcool éthylique variant selon l’état de dilution initiale du moût. Certains produits sont en suspension dans le liquide, d’autres sont en solution.
Les matières volatiles sont les acides organiques, des homologues de l’alcool, les esters, les aldéhydes, les terpènes… On trouve également en dissolution des produits gazeux (CO2 principalement), mais également un peu d’ammoniac et d’hydrogène sulfuré, …
Par distillation simple, nous séparons d’abord les éléments du vin ou de la bière en deux groupes principaux : les matières volatiles et les matières non volatiles. Les premières se composent de l’eau, des différents alcools, esters, aldéhydes et acides volatils. Les secondes constituent les résidus de la distillation et sont appelés vinasses (liquides).
Le but de la distillation n’est pas seulement d’isoler autant que possible le produit principal de la fermentation (l’alcool éthylique) de l’eau, mais surtout de séparer les éléments volatils les uns des autres, éliminant les impuretés dites « mauvais-goûts » et conservant celles qui donnent à l’alcool son odeur et saveur agréables (l’alcool éthylique étant un exhausteur d’arômes).
La façon dont s’effectuera la séparation des volatils influe par conséquent de façon considérable la qualité de l’eau de vie obtenue
Séparation - Conditions Opératoires - Lois - Epuration - Pression de Vapeur - Energie - Colonne de Distillation
Principe de base de la distillation
Quand on évapore un mélange de deux composants, la phase vapeur est toujours plus riche du composé le plus volatil par rapport à la phase liquide
Ainsi, en effectuant une succession d’évaporations puis de condensations de cette vapeur, nous constatons une augmentation de la concentration du composé le plus volatil dans le mélange final condensé, exemple du couple alcool éthylique (C2H5OH) et eau (H2O) :
Autrement dit, à partir du mélange alcool + eau de départ (nous considérons que le mélange n’est que binaire, alors que le vin mis à distiller comporte bien d’autres constituants (plusieurs centaines), comme nous l’avons vu, nous pourrons obtenir un mélange avec la composition désirée (70 %, 86%, 92 % vol d’alcool…) ; ceci à condition de réaliser le nombre suffisant d’évaporations et de condensations nécessaires.
Séparation
La distillation consiste donc à séparer les constituants d’un mélange liquide, en soumettant ce dernier à une vaporisation partielle et en recueillant séparément les vapeurs et le résidu. Les éléments les plus volatils s’accumulent dans le liquide qui provient de la condensation des vapeurs (distillat). Les moins volatils s’accumulent quant à eux dans le liquide résiduaire (vinasse).
La température d’ébullition du mélange est toujours inférieure à celle des divers constituants pris isolément. La température d’ébullition n’est atteinte que lorsque la somme des tensions de vapeur des divers éléments est égale à la pression atmosphérique.
Les tensions de vapeur des mélanges binaires de deux liquides miscibles, eau et alcool par exemple, sont supérieures à la somme des tensions de vapeur de chaque liquide pris isolément. Ce rapport est sensiblement constant pour chaque titre alcoolique, quelle que soit la température.
La composition des vapeurs dégagées dépend uniquement de la volatilité relative de chaque constituant, quelles que soient les proportions de ceux-ci dans le mélange.
L’alcool et l’eau sont deux liquides miscibles entre eux, par contre leurs vapeurs se comportent de façon différente. En fonction de la température et de la pression, la vapeur issue du mélange de ces deux liquides aura une richesse différente en fonction des conditions de départ. Condensant ensuite cette vapeur, le liquide que nous obtenons a une constitution différente de celle de départ.
Soit par exemple un mélange liquide de 2 corps A et B, la pression totale au dessus de la solution est donnée par :
PT = PA + PB
XA est la fraction molaire du corps A, XB est la fraction molaire du corps B.
Y est la fraction de ce corps dans la phase vapeur, la volatilité est :
KA = YA/XA
Et
KB = YB/XB
Le coefficient de volatilité relative entre ces deux corps est : KA/KB
Conditions opératoires
Avec une pression constante et égale à la pression atmosphérique, nous ne pouvons agir que sur la température, seule celle-ci pourra varier. Par contre, il est toujours possible d’envisager une autre pression, généralement sous-vide afin de réduire le niveau de température.
Par contre, lors de l’ébullition du liquide, cette température dépend de la constitution du mélange des deux corps. Plus celui-ci s’appauvrira en alcool, et plus la température d’ébullition du mélange augmentera.
Cela provient du fait que la température d’ébullition (passage de l’état liquide à l’état gazeux) de l’eau et de l’alcool sont différents réciproquement, et que la température du mélange évoluera au fur et à mesure qu’il s’appauvrira en alcool.
Elle passera ainsi de 80 (environ) à 100°C.
Cette température nous indiquera comment se comporte la distillation :
- Mélange à 10 %vol bout à 93°C
- Mélange à 30 %vol bout à 86°C
- Mélange à 97,2 %vol bout à 78,1°C
Lois
Pour chaque équilibre lors de la distillation :
% alcool dans les vapeurs = Coefficient (T, P) x % alcool dans le liquide
La distillation est la somme d’une multitude d’équilibres qui vont se succéder tout au long de la distillation. Cela correspond à une distillation discontinue.
Pour une distillation en continue, chaque plateau ou étape correspondra alors à un équilibre bien particulier. Cet équilibre s’établie à :
- Température donnée
- Pression donnée
- Concentration donnée en alcool dans le liquide
- Concentration donnée dans les vapeurs
Cela vaut pour l’alcool éthylique, mais également pour tous les autres corps chimiques présents dans la bière ; généralement la famille des alcools (dont les alcools supérieurs représentant les huiles de fusel), des esters, des acides gras volatils…
Il est important de connaître la volatilité relative des non-alcools par rapport à l’éthanol. Or cette volatilité varie avec le TAV (richesse en alcool)
Le coefficient de volatilité relative est défini comme le rapport de la concentration du non alcool par rapport à l’éthanol dans la phase vapeur ; par rapport à celle dans le liquide à l’équilibre. Au cours de la distillation, en fonction de leur volatilité, ceux-ci seront classés dans le distillat ou eau de vie.
Source : Distillation techniques in the Fruit Spirits Production, Nermina Spaho
Epuration
Pour tous ces corps, le même raisonnement sera appliqué, sauf que l’ensemble des conditions opératoires (température et pression, concentrations dans la phase liquide et vapeur) seront différentes. Cela permettra en particulier de les sélectionner et de les séparer (alcools supérieurs, esters, aldéhydes …).
En distillation discontinue, nous les trouverons dans les têtes et les queues (premiers et derniers coulages). En distillation continue, ils seront extraits à certains plateaux de la colonne de distillation.
En distillation continue, le système est en équilibre massique et thermique permanent. Le mélange à traiter est introduit sur le plateau d’alimentation de la colonne vers le niveau central de la colonne (dépendant des objectifs du distillateur), avec au-dessus la zone de concentration, et en dessous la zone d’épuisement.
Les composés les plus volatils se vaporisent à partir du liquide contenu dans la colonne et atteignent alors le plateau supérieur. En montant, les vapeurs s’enrichissent en composés les plus volatils. La phase vapeur ainsi enrichie est collectée en haut de la colonne, puis condensée pour fournir le distillat léger.
La phase liquide quant à elle tombe en cascade vers le bas, s’enrichit en produits lourds et perd ses éléments légers. Plus le nombre de plateaux ou la hauteur de la colonne est important, meilleure sera la séparation avec un % vol plus élevé obtenu en tête de colonne. Le but étant de trouver un compromis entre le rendement et le coût de l’opération.
Un apport calorifique, assuré généralement avec un bouilleur situé en bas de colonne, permet d’établir un gradient de température dans la colonne. Dès que la température du liquide mis à chauffer est supérieure à la température d’équilibre, le liquide se transforme en gaz. L’alcool passe alors de la phase liquide à la phase gaz de façon permanente ; entraînant une certaine portion d’eau. Le ou les fluides à distiller sont entraînés vers le haut de la colonne, où une partie du flux est condensée.
Lorsque la température chute au niveau du refroidissement (condenseur), il y aura condensation : l’alcool et ses volatils se condensent pour passer de la phase gaz à la phase liquide ( comme de l’eau apparaît sur une vitre l’hiver). A l’équilibre, le système se fige, il y a autant d’alcool qui s’évapore que d’alcool qui se condense. Un certain pourcentage de liquide condensé doit retourner dans la colonne (appelé reflux).
Ce reflux participe aux équilibres thermodynamiques qui règnent au sein de la colonne. Plus le reflux est important, plus l’alcool est fin mais avec réduction du débit de coulage et donc augmentation de la consommation d’énergie. Ceci dépendra finalement du choix du distillateur. La structure permettant les échanges entre les flux montant et descendant est constituée de plateaux ou d’un garnissage continu formé par un matériau poreux.
De gauche à droite : Plateau à calottes, plateau à clapet, exemple de garnisage
D’éventuelles coupes sont éventuellement prélevées le long de la colonne. La composition de chacune de ces coupes résulte des paramètres de l’équilibre au niveau où la phase liquide est prélevée, en particulier de la richesse en alcool de ce milieu et de la solubilité des corps concernés dans cette fraction d’alcool.
La teneur en substances volatiles (g/hl AP) varie en fonction de l’eau de vie :
Vodka : 30 g/hl AP
Whisky-cognac : 150 – 1 000 g/hl AP
Rhum agricole : 225 g/hl AP
Eau de vie de fruit : 200 g/hl AP
Pression de vapeur
La pression de vapeur au-dessus du liquide que nous faisons bouillir est égale à la pression de vapeur de l’alcool + la pression de vapeur de l’eau. Plus le liquide en ébullition sera riche en alcool, et plus la pression de vapeur d’alcool au-dessus sera riche en alcool.
Comme la pression est constante (= à la pression atmosphérique ou = 0,6 bar (si vide partiel)), elle sera toujours égale à la même valeur. Par conséquent, comme le liquide s’appauvrit en alcool au fur et à mesure de la distillation, la pression de vapeur de l’alcool va chuter au fur et à mesure de la distillation, et celle de la vapeur d’eau va augmenter (P x V = Constante).
Comme la température est constante, la pression totale est égale à la somme des pressions qu’aurait chaque gaz si chacun occupait seul le volume total (d’où l’importance des volumes inter plateaux, en complément de celle d’éviter les sur-moussages).
Il n’est pas tenu compte de l’action des autres gaz dans la phase gazeuse au-dessus du liquide, car ceux-ci vont être expulsés à l’extérieur par l’augmentation de pression qu’ils vont subir du fait de l’élévation de la température. Ils s’échapperont au niveau de la trompette (mise à l’air après condenseur). Les autres gaz dissous dans le liquide en cours d’ébullition suivront le même chemin.
Chaque corps (alcool éthylique, eau, aldéhydes, esters…) s’évapore en fonction de son propre coefficient d’évaporation (Température, Pression), celle-ci dépendant de sa masse volumique et de sa pression partielle. Les gaz (vapeurs de liquide : vapeur d’alcool et vapeur d’eau) ne se séparent pas en fonction de leur ordre de densité. En effet, ils se mélangent intimement et cela en fonction de leur expansibilité réciproque.
La qualité de la distillation dépendra au final :
- De la température de travail
- De la durée de la distillation
- Des caractéristiques du milieu (minéraux, sucres, protéines, éléments solides, etc.)
- Du mélange intime vapeurs et liquides
- Des composants de l’alambic (cuivre …)
…
Energie
Lors de la distillation, le distillateur se mettra en permanence en déséquilibre de façon à rendre gazeux l’alcool. Ceci va nécessiter de l’énergie avec une température de consigne à respecter.
La consommation d’énergie dépend des conditions de ce travail :
- température de travail en fonction de la pression (atmosphérique ou sous vide)
- volume à distiller.
Pour une température constante (qui dépend des conditions de travail), le besoin énergétique va donc dépendre uniquement que du volume d’alcool à distiller (déperditions thermiques en sus).
La température de travail dépendra des objectifs de qualité finaux que nous nous donneront (% vol alcool), et de la qualité de la matière première bière.
Ainsi, le dimensionnement d’une colonne à distiller se calcule en fonction de trois bilans :
Un bilan massique (ce qui rentre = ce qui sort)
A = V + F
A : débit d’alimentation, V : débit de vinasses, F : débit de flegmes
Un bilan alcool
A x XA = V x XV + F x XF
Un bilan énergétique (besoins d’évaporation des différents mélanges)
A x HA1 + QB = V x HV2 + F x HF2 + QC
HA1 : enthalpie de la bière, HV2 : enthalpie de la vinasse après le réchauffeur, HF2 : enthalpie du distillat après le condenseur, QB : énergie apportée au bouilleur, QC : énergie prise au condenseur
La distillation est plus rapide au début, plus lente à la fin, il faut ajouter davantage d’énergie pour extraire les derniers volumes d’alcool.
Il faut également obtenir les bulles de gaz les plus petites possibles au niveau de la colonne à distiller, signe d’une bonne évaporation locale et obtenir un mélange le plus intime entre phase gaz et phase liquide.
Si le débit de vapeur devient trop important, les bulles grossissent trop et engorgent le système (il y a également possibilité de sur-moussage). L’évaporation dépasse alors la capacité évaporatoire de la surface du liquide.
La colonne de distillation
Un alambic à colonne (ou tout simplement colonne de distillation) permet la distillation des bières en continu.
Celle-ci est souvent équipée de deux colonnes positionnées l’une au-dessus de l’autre ou juxtaposées : la colonne de concentration et la colonne d’épuisement. Un jeu de plateaux et de chicanes fractionne la bière et la fait descendre doucement jusqu’au bas de la colonne où elle sera chauffée au niveau du bouilleur à sa température d’ébullition.
Cette émission de vapeur d’eau va entraîner les vapeurs d’alcool, qui remontant ensuite à travers les plateaux, sont conduites au bas de la colonne de concentration. Dans celle-ci, la température, élevée en bas, diminue progressivement au fur et à mesure que la vapeur plus riche en alcool s’élève.
Les plateaux piègent les molécules les plus lourdes. Les vapeurs les plus volatiles s’échappent en haut de colonne. Les vapeurs d’alcool sont recueillies à un niveau plus ou moins élevé, selon que l’on désire un taux d’alcool important ou non, et sont recondensées dans un serpentin. Plus le nombre de plateaux sera élevé, et plus le degré d’alcool en sortie sera élevé. Pour un alcool à 85 %, on comptera ainsi une trentaine de plateau, alors que pour un alcool à 92 % ou 96 %, on comptera 45 à 60 plateaux.
Quand le temps de séjour à haute température est court, comme dans une colonne à distiller, l’alcool ou distillat produit est léger, il est peu chargé en molécules aromatiques.
Partie 2 : Théorie de la distillation des alcools : L'alambic
Franck Jolibert
Ingénieur Brasseur - Consultant
