Samovar ist ein Open-Source-Controller auf Basis des ESP32 zur Automatisierung einer Selbstgebrannten-Anlage, einer Brauerei und einer Käserei im Haushalt. Das Projekt begann 2020 als Versuch, eine bequeme und sichere Automatisierung für die Rektifikation zu bauen, und ist in fünf Jahren zu einer Plattform geworden, die Destillation, Bierbrauen und sogar Käseherstellung nach einem vorgegebenen Programm steuern kann.
Was der Controller kann
Samovar misst Temperaturen an fünf Punkten (Dampf, Kolonnenschuss, Brennblase, Austrittswasser, TCA) sowie den Druck in der Kolonne. Er steuert die Heizung über einen externen Leistungsregler, Relais, Ventile, eine Wasserpumpe und einen Schrittmotor mit Schlauchpumpe für eine präzise Abnahme. Ein Servoantrieb erlaubt es, die Fraktionen in verschiedene Behälter zu sortieren — das ist eine der Kernideen des Projekts.
Die Bedienung ist möglich über ein lokales Display mit Drehgeber, über die eingebaute Weboberfläche per WLAN, über die mobilen Apps für Android und iOS oder über eine Seite auf der Website samovar-tool.ru. Das Prozessprotokoll und Alarmmeldungen werden auf einem Cloud-Server gespeichert und sind auf der Website und in den Apps abrufbar. Wenn Parameter die zulässigen Grenzen verlassen, stoppt der Prozess, und der Alarm geht an das Display, die Weboberfläche und als mobile Benachrichtigung.
Die Firmware ist in C++ für Arduino/PlatformIO geschrieben, steht unter der Lizenz GPL-3.0, und das Repository ist auf GitHub offen (LKosoj/Samovar). Die aktuelle Version ist 7.00.
Betriebsmodi
Seit der ersten Veröffentlichung des Artikels 2021 hat sich das Projekt stark erweitert. Heute unterstützt Samovar sieben Modi:
- Rektifikation — Abnahme von Vorlauf, Mittellauf und Nachlauf nach Programm. Der eingebaute Detektor für Verunreinigungsdurchbruch beobachtet den Trend der Dampftemperatur mit Druckkorrektur, wählt seine Schwelle selbst aus dem Rauschen der Kolonne, senkt bei steigender Temperatur die Abnahmegeschwindigkeit und pausiert bei einem kritischen Anstieg die Abnahme und setzt sie von selbst fort, sobald sich alles normalisiert hat.
- Destillation — nach der Temperatur der Brennblase oder nach der Änderung des Alkoholgehalts in der Brennblase oder im Dampf, mit einer Prognose der Zeit bis zum Ende der Linie und des gesamten Prozesses.
- Maischekolonne — Steuerung des Kühlwassers nach dem Sollwert der Dampftemperatur, automatisch oder manuell.
- Kontinuierliche Maischekolonne — Aufheizen, Einstellung, Optimierung und Betrieb; der Maischezulauf wird automatisch geregelt, und die gefundenen Parameter lassen sich als optimal übernehmen.
- Bierbrauen — Einmaischen des Malzes, Temperaturrasten, Kochen, Abkühlen, Gärung, Brauabfolgen, Steuerung von Rührwerk und Wasserpumpe, manuelle Pause.
- Sous-vide — Halten der Wassertemperatur nach Programm.
- Käseherstellung — Erhitzen, Haltezeiten, Abkühlen, Säuerungskontrolle über einen pH-Sensor, Rührwerk, Ablassventil für die Salzlake.
- Lua — ein Modus, in dem der gesamte Prozess von einem Benutzerskript gesteuert wird.
Mehr zu den Modi finden Sie in der README des Projekts und in der Dokumentation auf der Website.
Was der Automatisierung der Rektifikation zugrunde liegt
Die Idee von Samovar entstand aus der Praxis. Unten steht eine Aufschlüsselung, wie ein typischer Prozess mit einer Rektifikationskolonne abläuft. Die Begriffe und Werte der Abnahmegeschwindigkeit stammen aus offenen Quellen zur Heimdestillation (DistillAcademy, AlcoProf, Alcofan, Fachforen) und aus dem Quellcode der Firmware.
Was in die Kolonne kommt und wie man es trennt
Rektifikation ist die Trennung eines Mehrkomponentengemischs durch wiederholten Stoffaustausch im Gegenstrom zwischen Dampf und Flüssigkeit. Anders als bei der einfachen Destillation führt eine Rektifikationskolonne einen Teil des Kondensats in die Kolonne zurück (Rücklauf), und das ergibt Dutzende theoretischer Reinigungsstufen. Am Ausgang steht neutraler Alkohol mit bis zu 96–98 % Vol., aus dem der Großteil der Verunreinigungen entfernt wurde. Ethylalkohol siedet bei 78,37 °C, und die Rektifikationskolonne „arbeitet“ um diese Temperatur herum; alles, was niedriger siedet, geht in den Vorlauf, alles, was höher siedet, in den Nachlauf.
Der Rohstoff für die Rektifikation ist Rohbrand, meist mit bis zu 40 % Stärke, den man nach dem ersten Brennvorgang der Maische erhält. Die Höhe einer Kolonne für zu Hause beträgt mindestens einen Meter; der Durchmesser des Kolonnenschusses bestimmt den maximalen Durchsatz, und die Höhe bestimmt den Reinigungsgrad.
Der Rohbrand, den wir in die Brennblase füllen, ist ein Gemisch aus Ethylalkohol, Wasser und Verunreinigungen. Die Verunreinigungen werden nach dem Siedepunkt in drei Gruppen unterteilt:
- Vorlauf — leichtsiedend: Aceton, Methylalkohol, Aldehyde, ein Teil der Ester. Sie sieden vor dem Ethylalkohol.
- Mittellauf (Herzstück) — Ethylalkohol mit Wasser, die trinkbare Hauptfraktion.
- Nachlauf — schwere Verunreinigungen, vor allem Fuselöle (ein Gemisch höherer einwertiger Alkohole C3–C10, Ester und anderer Verbindungen, insgesamt etwa 40 Komponenten).
Zwischen den Hauptfraktionen unterscheidet man in der Heimpraxis meist den späten Vorlauf (eine Zwischenfraktion zwischen Vorlauf und Mittellauf) und den frühen Nachlauf (zwischen Mittellauf und Nachlauf). Eine scharfe Grenze zwischen ihnen lässt sich zu Hause nicht messen — nur ein Chromatogramm würde sie zeigen —, daher wird die Abnahme nach indirekten Anzeichen geführt: Temperatur, Geschwindigkeit und Geruch. Die Schicht, die bei der Destillation von Obstmaische manchmal „aromatisches Wasser“ genannt wird, ist ein Destillat mit den leichten Aromakomponenten des Rohstoffs; in der Fachliteratur heißt dasselbe Produkt Hydrolat.
Der Prozess Schritt für Schritt
1. Aufheizen und Betrieb mit Rücklauf. Die Heizung wird eingeschaltet, und die Kolonne kommt in ihren Arbeitsmodus. Zuerst wird die Kolonne „auf sich selbst“ aufgewärmt — bei eingeschalteter Heizung und vollständig geschlossener Abnahme. Der Dampf steigt auf, kondensiert im Dephlegmator und läuft als Rücklauf nach unten, und die Kolonne erreicht ein stabiles Regime. Im Code von Samovar sind das die Zustände „Aufheizen beendet / Stabilisierung“: Die Dampftemperatur hat sich eingestellt, das Grundrauschen des Trends wurde erfasst, und der Detektor für Verunreinigungen ist bereit zu reagieren. Als grober Richtwert gelten 10–15 Minuten stabile Dampftemperatur, bevor man mit der Abnahme des Mittellaufs beginnt.
Der Arbeitsmodus wird für die konkrete Kolonne gewählt. Für SPN-Füllung beträgt die empfohlene Dampfgeschwindigkeit 0,2–0,3 m/s. Für einen 2-Zoll-Kolonnenschuss (5,08 cm) entspricht das einer Nettoleistung von etwa 900 W, unter Berücksichtigung der Wärmeverluste etwa 1100 W bei der Vorlaufabnahme. In diesen Modi trennt die Kolonne das Gemisch wirksam und läuft nicht über.
2. Vorlaufabnahme. Der Vorlauf wird im Filmmodus abgenommen: Der Dampf kondensiert an den Wänden des Dephlegmators und kehrt fast vollständig in die Kolonne zurück, und nur ein Minimum geht in die Abnahme. Die ungefähre Geschwindigkeit beträgt etwa 50 ml pro Stunde für jedes Kilowatt Heizleistung, meist insgesamt nicht mehr als 350 ml/h, oder 1/10 der Abnahmegeschwindigkeit des Mittellaufs. In der Praxis sind das 1–4 Tropfen pro Sekunde. Der Anteil des Vorlaufs im Rohbrand wird so geschätzt: bei Zuckermaische 3–5 % absoluter Alkohol (AA), bei Getreide 5–8 %, bei Obst bis zu 10 %; in der Praxis finden sich auch vorsichtigere Werte von 8–15 % AA. Kontrolliert wird nach dem berechneten Volumen und nach dem Geruch. Bei der Vorlaufabnahme darf man sich nicht allein auf die Temperatur verlassen: Die Werte von 63–77 °C beziehen sich auf die gewöhnliche Destillation und hängen vom Einbauort des Thermometers ab; bei der Rektifikation sind die Stabilität des Regimes und die Abnahmegeschwindigkeit wichtiger als eine einzelne Thermometeranzeige.
3. Später Vorlauf. Unmittelbar nach dem Vorlauf kommt eine Zwischenfraktion. Das Thermometer zeigt bereits das Alkohol-„Plateau“, aber ein Chromatogramm würde noch Spuren leichter Verunreinigungen offenbaren. Der späte Vorlauf wird langsam abgenommen — sonst „verschmiert“ er über den Schnitt und verdirbt den Mittellauf. Manche Brenner nehmen ihn in Portionen ab (zum Beispiel 17–20 ml alle 10 Minuten), andere vereinen ihn mit dem Mittellauf und trennen nur nach dem Geruch. Bei Obst- und Getreiderohstoffen enthält der späte Vorlauf oft wertvolle Aromakomponenten.
4. Mittellauf. Die trinkbare Hauptfraktion, grob 2/3 des Volumens an absolutem Alkohol im Rohbrand. Die Abnahme erfolgt im Modus kurz vor dem Fluten (Emulsion) — die Kolonne arbeitet an der Grenze ihrer Leistungsfähigkeit, flutet aber noch nicht. Synonyme sind „auf dem Strahl“ und „auf sich selbst laufen“. Die Geschwindigkeit des Mittellaufs liegt je nach Durchmesser des Kolonnenschusses und Heizleistung zwischen 300 und 3000 ml/h; als praktische Regel gilt etwa 1 l Abnahme pro 1 kW Leistung. Bei einem 2-Zoll-Kolonnenschuss (Durchmesser 5,08 cm) sind etwa 600–1200 ml/h eine realistische Geschwindigkeit: mehr, und der Mittellauf wird nicht mehr „durchgearbeitet“; weniger, und der Durchsatz sinkt.
5. Früher Nachlauf. Er tritt auf, wenn sich schwere Verunreinigungen in den Mittellauf zu mischen beginnen. Zu Hause lassen sich Mittellauf und früher Nachlauf nicht nach der Temperatur trennen — es gibt keine scharfe Grenze. Man orientiert sich an der Temperatur in der Dampfzone und bei 2/3 des Kolonnenschusses: Solange der Dampf stabil ist und der Anstieg nur in der unteren Zone der Kolonne stattfindet, ist es noch Mittellauf. Es gibt keine einzige „richtige“ Gradzahl im Kolonnenschuss — die Temperatur ändert sich über die Höhe der Kolonne und hängt von Zusammensetzung, Druck, Leistung und Rücklauf ab; ein universelles Temperaturkriterium für den Übergang „Mittellauf → früher Nachlauf“ gibt es nicht. Die Abnahmegeschwindigkeit wird gegenüber dem Mittellauf um 30–40 % gesenkt und die Leistung reduziert, um ein Fluten zu vermeiden — einen Zustand, in dem der aufsteigende Dampf den normalen Rücklauf nach unten durch die Füllung zu stören beginnt.
6. Nachlauf. Sobald die Dampftemperatur zu steigen beginnt, wird die Abnahme des frühen Nachlaufs beendet und man geht zum Nachlauf über. Der Nachlauf ist bitter und riecht scharf nach Fuselölen — er wird nicht für Lebensmittelzwecke verwendet. Bei Zuckermaische wird der Nachlauf einer erneuten Rektifikation unterzogen; bei Obst und Getreide ist er Rohstoff für aromatische Destillate oder für technische Zwecke.
7. Ende des Prozesses. Wenn die letzten Alkoholportionen die Brennblase verlassen, steigen die Temperatur in der Brennblase und im Kolonnenschuss, und die Abnahmegeschwindigkeit fällt. Der Prozess ist beendet, wenn die eingestellte Temperatur der Brennblase erreicht ist (meist bis 98–99 °C) oder bei einer minimalen Abnahmegeschwindigkeit. In dieser Phase verfolgt Samovar die Dynamik und schaltet die Heizung von selbst ab, wenn die Destillation in den „trockenen“ Modus gerät.
Warum man das alles automatisiert
Der Prozess dauert Stunden. In dieser Zeit strömen brennbare Dämpfe von Alkohol und Verunreinigungen durch die Kolonne — man muss die Anlage im Auge behalten, sonst kann man den Moment verpassen, in dem der Nachlauf in den Mittellauf zu geraten beginnt, oder ein Fluten zulassen. Die Hauptannahme, auf der Samovar aufgebaut ist: Die Automatisierung macht das Produkt nicht besser, als es die Ausrüstung erlaubt — aber sie nimmt die Routine ab, hält die genauen Abnahmebedingungen ein und stoppt den Prozess, wenn etwas schiefgeht (das Wasser fällt aus, die Spannung springt, ein Fluten beginnt).
Die getrennte Abnahme in Behälter ist ein eigenes Problem. Wenn die Kolonne die Fraktionen physisch trennen kann, man aber mehrere Stunden hintereinander alle 20–40 Minuten die Gläser von Hand wechseln muss, geht die Trennung faktisch verloren. Samovar löst das mit einem Servoantrieb mit mehreren Behältern und einem Programm, in dem jede Zeile ihr eigenes Volumen, ihre eigene Geschwindigkeit und ihre eigene Bedingung für den Übergang zur nächsten hat.
Was sonst noch wichtig ist
Sicherheit. Der Controller überwacht Temperaturen, Druck, das Vorhandensein von Wasser sowie Fehler des Reglers und der Sensoren; im Notfall stoppt der Prozess, und eine Meldung geht an das Display, die Weboberfläche, die mobilen Apps und die Website. Nach einem Notneustart stellt die Firmware das Programm wieder her und setzt dieselbe Protokollsitzung fort, wenn der Prozess innerhalb von 30 Minuten neu gestartet wird.
Erweiterbarkeit. Der eingebaute Lua-Interpreter erlaubt es, über den Basismodi eigene Logik zu beschreiben: Zugriff auf Sensoren, Heizung, Pumpen, das Rührwerk und Relais. So wird aus Samovar von einem Abnahme-Controller eine Plattform für Experimente.
Konfigurator. Für Windows, macOS und Linux gibt es einen Konfigurator, der die Firmware baut, den ESP32 per USB oder WLAN (OTA) flasht, Dateien auf dem Gerät bearbeitet und einen Konfigurationsbericht erstellt. Lokale Einstellungen, einschließlich der WLAN-Zugangsdaten, werden in user_config_override.h gespeichert und verlassen Ihren Rechner nie.
Dokumentation und Community. Die vollständige Dokumentation finden Sie auf der Website des Projekts. Bei allen Fragen können Sie sich an den Support-Bereich auf der Website oder an Fachforen zur Heimdestillation wenden.
Was sich seit 2021 geändert hat
Die erste Version dieses Artikels wurde im März 2021 geschrieben — damals unterstützte der Controller Rektifikation, Destillation und Bierbrauen, und das war für die Heimautomatisierung bereits ein bemerkenswerter Schritt. Seitdem hat das Projekt sieben Hauptversionen durchlaufen und die Modi Maischekolonne und kontinuierliche Maischekolonne, Sous-vide, Käseherstellung, einen vollwertigen Lua-Interpreter, ein Cloud-Protokoll und mobile Apps, die MQTT-Integration, einen Konfigurator für drei Betriebssysteme und eine zweite I2C-Pumpe für die Vorlaufabnahme hinzubekommen. Architektonisch ist die Basis dieselbe geblieben: ESP32, fünf DS18B20-Sensoren, ein Drucksensor, ein Leistungsregler, Relais, Ventile, Pumpen, ein Servoantrieb und ein Schrittmotor mit Schlauchpumpe für die präzise Abnahme. Aber die Logik ist gewachsen, und heute ist es nicht mehr ein Controller „nur für die Rektifikation“, sondern eine kleine Plattform für die Herstellung zu Hause.