蒸留で消毒用アルコールを自宅で生産する

全てを始める前に、法律に関して述べていく。というのも、アルコールの製造に関しては、常にかの忌々しき悪法である「酒税法」がついてまわるからである。酒税法というと酒造に関連する法律と考える人も多いだろうが、実際は酒類にとどまらない影響を及ぼし続けている。

消毒に用いるアルコールには主として二種類存在しているのをご存知だろうか。一つはエタノールと水を主成分とする「消毒用エタノール」、そしてもう一つがこれにイソプロピルアルコール（IPA）を添加した「IPA添加消毒用エタノール」である。

では具体的にどうやってIPA添加消毒用エタノールをつくっていくか、である。

消毒用エタノールの製造にあたって最も重要なのはそのエタノール濃度であり、最大の殺菌効果が得られるのは質量分率で70wt％。この時の体積分率がまさしく前述の76.9～81.4vol％というわけである。要するに、80％程度のエタノールが作れればよいわけである。そして低濃度のエタノールなら「酒」という形で誰でも簡単に手に入る。つまり酒を濃縮すればいいのだ！

エタノールを濃縮するのは簡単で、ズバリ「蒸留」である。

酒を加熱し沸騰させ、得られたエタノールリッチな蒸気を回収、凝縮させるだけだ。

そこでネックに成るのが蒸留器の調達である。というのも、消毒用アルコールの製造では高濃度のアルコール蒸気を取り扱うため、半端な装置ではリークに起因する火災炎上のリスクが非常に高い。Amazon等で手に入る安価な蒸留器ではそのあたりが雑であり推奨はできない。実験用のガラス器具で組むこともできるが、処理する酒の量は数L単位で大掛かりなシステムとなり、ご家庭では非現実的である。

そこで今回は3Dプリンティング技術をフル活用し、比較的安価かつ簡単な方法で高性能な蒸留器を自作するアプローチを取る。適切な設計と部品選定によって、エタノール製造に最適なシステムを構築していくのだ。

価格の観点でのトップはイオンPBブランドの焼酎、それに続くのが果実酒を漬けるためのホワイトリカーである。ホワイトリカーは35度と濃縮度が高く、またほとんどすべてのスーパーマーケットで入手することができるため今回の素材としてはうってつけである。ということでホワイトリカーの35vol％を基準に以後の設計を進めていく。

③ 80vol%程度の高いアルコール濃度を得るため、蒸留器を多段化する

今回行う蒸留操作は水-アルコール混合物から沸点の差を利用してアルコールを単離するものだが、ではアルコールの沸点に達すれば純粋なアルコールだけが得られるかというとそうではない。蒸留を行う上で確認すべきは次の気液平衡線図である。

ということで買ってみた。パール金属の格安圧力鍋である。1.8Lのホワイトリカーパックを蒸留することを考え、容量は約2倍の3.5Lを選定。価格はわずか4000円と非常にお値打ちである。

というわけで早速改造していく。改造対象は圧力鍋の蓋のみであり、穴を開けたりなどの不可逆な加工は一切不要である。

さらにもう一つの弁についても適当なレンチで回すことで取り外す。（ちなみにこの弁が取手内部のメカと連動することで、加圧時にはふたがロックされ、無理に開かないような仕組みとなっている。よくできた構造である。）

蓋から取手と弁を取り外すと、直径14.2mmの穴と座が姿を表す。この穴に対して写真右の継手をマウントしてやる。この継手はエスコの「PT隔壁めすユニオン」であり、適合チューブ外径は6mm、外周部のネジはM14である。奇しくも先程の穴と座に対しこの隔壁継手が神シンクロするため、一切の追加加工なしにマウントすることができる。その際、写真中央のOリング、あるいは適当なシリコンパッキンを挟み、確実なシールを施すのをお忘れなく。

さらなる濃縮が行われる第二ボイラーは一段目ほどの容量は必要なく、１-2L程度あれば十分である。容器としてはガラス瓶が適当であるが、安価なジャム瓶は蓋が鉄製であり、今回のように蓋に穴を開けて使用する場合には鉄表面を覆っているコーティングが失われてしまい、結果凄まじい勢いで錆びてしまって不適である。そこで採用するのは蓋もガラス製の保存瓶である。サビとは無縁であり、本体と蓋の間にはシリコンパッキンが挟まれるため、気密性も申し分ない。

課題となるのはガラスの蓋にどのように穴をあけるかということだ。

そこで3Dプリンターを用いてガラスドリル用の治具を出力した。治具にはガラスドリル外径にフィットする穴を設け、両面テープを貼り付ける十字の溝を設けている。

この治具を取り付けた上で、水を十分にかけながらドリルで穴あけを行う。穴あけのコツは肉厚の半分まで穴を掘り進めたら、今度は逆側から掘り進め、中央で穴を連結させる事だ。片側から貫通させるとどうしても貫通時に表面が激しく割れてしまうためだ。

ということで得られた穴は上図の通り非常に綺麗だ。

最後、先程の隔壁ユニオンとPISCOの「隔壁ユニオンエルボ」のφ6チューブ仕様を固定し、エルボの方に適当なパイプを取り付ければ、第2ボイラは完成である。

最難関となるのがこのチラーの構築である。上図の通り、容器内部に冷却コイルを設け、さらに蒸気入口、凝縮液出口と冷却水の入口/出口の合計4ポートを設ける必要がある。それぞれについて観ていこう。

きれいな冷却コイルの作成にあたっても3Dプリンタをフル活用する。上図は今回の容器のために最適設計し、3Dプリントしたコイル曲げ治具である。詳細はこの記事を参照。

そして出来上がったコイルは完璧だ。治具があるため量産も可能である、

4つの取り合いポートについては第2ボイラと同様、ガラス製保存容器に治具を用いて穴あけし、ユニオンに隔壁ユニオンを用いて構築した。非常に簡単なのでおすすめの工法である。

そうして完成したチラーがこちら。まるで真空管のような美しい仕上がりとなった。

内部の様子も大変素晴らしい。3Dプリンタなしでは成し得ない美しい仕上がりである。

これで全てのユニットは完成だ。

各ユニットを接続後のシステムの全体像は上図の通り。配管長は最小限とし簡便に仕上げた。

ついに実験の時が来た。

ということで35％のホワイトリカーとIPAを用意した。ホワイトリカーはどのスーパーマーケットでも間違いなく手に入るが、課題はIPAである。代替品としては車のエンジン用の水抜き剤が使えるかもしれない。（水抜き剤の99％はIPAで、残りは防錆剤とのこと）

第一ボイラにホワイトリカーを全量加えていく。

第2ボイラへの添加量は、上図のように吹き込み管が完全に没する量が必要だ。こうしないと吹き込まれた蒸気がそのままチラーへ流れていってしまい、再沸騰による濃縮効果が得られない。

原料の投入が完了したら、IHヒータの電源をONにして蒸留を始めていく。第2ボイラのガラスへのヒートショックを防ぐため、序盤は弱出力で沸騰させ、発生する蒸気でゆっくりと温めていくのが良い。第2ボイラの内表面全体が結露し、定常的な再沸騰が発生し始めたら、IHヒータの出力を上げ、蒸留量を増やしていく。

加熱を初めてしばらくすると、チラーから凝縮したアルコール液が出てくる！早速濃度計で測ってみる。

濃度計のレンズを除くと、値は見事に80%に張り付いていた！実験は成功である！！十分なアルコール濃度であり、これによって確実な殺菌作用を得ることができるはずだ。

蒸留操作は非常に安定しており、セットアップから1時間程度で全投入量の約半分を処理することができた。この時点で滴下する凝縮液の濃度を計測するとすでに10％を割っていたため、蒸留操作は中断した。

最終的に回収したIPA添加消毒用エタノールは約900ml、エタノール濃度は70％を超えており、消毒液として完璧に動作する物を得ることができた。