Пиво и напитки

Вода для пивоварения

Вода является в пивоваренной промышленности очень важным сырьем благодаря своему влиянию на качество пива и широкому использованию ее в пивоваренном производстве. Производственная вода используется в солодовне, в котельной, для охлаждения сусла в холодильниках и в конденсаторах холодильных машин, для мойки и чистки главным образом в бродильном и лагерном отделениях, а также в моечном и разливочном отделениях. Характерно, что для приготовления пипа требуется небольшая часть воды по отношению к общему количеству потребляемой воды, которое в 10 раз и более превосходит производство пива в год.

Состав обычной воды

Природная вода — это сильно разбавленные растворы солей, иногда и некоторых газов, содержащие суспендированные неорганические и органические вещества и микроорганизмы. Содержание минеральных веществ в воде качественно зависит от геологического характера местности, который определяет химический состав слоев, через которые вода проходит. От физических свойств этих слоев зависит и эффект естественной фильтрации воды как с физической точки зрения (суспендированные вещества), так и с биологической (микроорганизмы).

Природная вода обычного состава содержит наряду с ионами Н+ и ОН катионы Са2+, Мg2+, Na+, К+, Fе2+ (реже Fе3+), Мn2+ и анионы НСO3, SiО42-, SiО32, Сl, NO3.

Кальций Са2+ и магний Мg2+ являются постоянными компонентами любой природной воды. Кальций всегда преобладает, в то время как содержание магния редко превышает 30 мг/л. Содержание натрия Na+ и калия К+ в воде сильно колеблется. Железо в обычных водах встречается почти исключительно как двухвалентное, т. е. Fе2+. Ему, как правило, сопутствует алюминий Аl3+ и иногда также марганец Мn2+. В хороших производственных водах должны содержаться только следы железа и главным образом марганца. Железо обычно допускается в количестве небольше 0,3 мг/л; остаточное содержание железа после искусственного удаления его из воды — от 0,05 до 0,10 мг/л.

Из анионов во всех природных водах содержится бикарбонат-ион НСО3 и сульфат-ион SO42-, часто также хлор-ион Сl(от 19 до 30 мг/л). Силикат-ион SO42- тоже является постоянным компонентом природных вод в количестве от 10 до 30 мг/л.

Аммиак Н3 и аммониевые соединения NН4+ встречаются в природных водах как местные загрязнения, образующиеся в результате гниения азотсодержащих органических веществ. Деятельность ннтрофицирующих бактерии ведет к окислению сначала в нитриты NО2 , а потом в нитраты NО3.

Из газов, содержащихся в воде, особое значение имеет углекислый газ СО2, образующий с водой угольную кислоту Н2СО3, под действием которой на известняковые породы вода приобретает временную жесткость. Часть свободного углекислого газа задерживают в растворе бикарбонаты едких земель, и такой углекислый газ называется равновесным, в то время как другие части являются агрессивными известняковым материалам. Железу агрессивен весь свободный углекислый газ.

Почти все природные воды содержат определенное количество органических веществ, количество которых определяется потребностью кислорода для их окисления. Нормальное содержание соответствует потреблению кислорода от следов до 2 мг/л; наибольшее от 0 до 50 мг/л.

Остаток после выпаривания воды, высушенный при 105°С, содержит все нелетучие неорганические и органические вещества и называется сухой остаток.

Обычные воды содержат 50—500 мг сухого остатка на 1л; внешний предел от 20 до 2000 мг/л.

При анализе вод, предназначенных для технических целей, отдельные компоненты приводятся в миллиграммах ионов на 1л воды. Иногда встречаются данные, пересчитанные на окислы (катионы-основания) и ангидриды кислот (анионы): CaO, MgO, Fe2О3 (или Fe), Na2О , SО3, SiО2, Na2О5, Cl и т. д. Наряду с этим при оценке воды для пивоварения обычные данные приводятся в мг·экв/л. Этот метод необходим при титровальных анализах, поскольку потребление любого реагента концентрацией 0,1 н. (в мл на 100 мл воды) соответствует по величине количеству мг·экв/л.

При определении пригодности вод для технических целей важным критерием является так называемая жесткость воды. Источником жесткости воды являются ноны щелочноземельных металлов Са2+, Mg2+, иногда также Сг2+ и Ва2+. С присутствующим бикарбонат-ионом НСО3 они реагируют при кипячении следующим образом:

Вода для пивоварения

Из приведенных уравнений реакций следует, что часть ионов щелочноземельных металлов, эквивалентная бикарбонатным ионам, присутствующим в растворе, выделяется в виде нормальных нерастворимых в воде карбонатов; освободившийся углекислый газ при кипячении испаряется. Тем самым снижается жесткость воды на ту часть жесткости, которая называется временной (карбонатной жесткостью). И, наоборот, ионы щелочно-земельных металлов, эквивалентные присутствующим анионам сильных неорганических кислот, т. е. SO42-, Cl, NO3 , при кипячении не реагируют один с другим и поэтому соответствующая им часть жесткости определяется как жесткость постоянная (некарбонатная).

Общая жесткость воды является суммой жесткости временной (карбонатной) и постоянной (некарбонатной).

В Средней и Восточной Европе единицей жесткости воды является немецкий градус (1°Н), который соответствует 10 мг СаО или эквивалентной части MgO (иногда S3O и ВаО) в 1 л воды

Вода для пивоварения

В настоящее время жесткость воды часто приводится прямо в миллиграм-эквивалентах. 1 мг·экв=28 мг СаО/л = 2,8°Н; I0Н = 0,357 мг-экв/л.

Для производственных целей на пивоваренных заводах используются в зависимости от местных условий грунтовые, родниковые и поверхностные воды. Грунтовые воды обычно наиболее чистые по биологическому составу, а именно потому, что при инфильтрации в глубине задерживается большая часть микроорганизмов. Если же они задерживаются в слоях, из которых не могут выщелачивать много солей, то это лучшие питьевые и производственные воды. Родниковые воды это тоже грунтовые воды, однако при самопроизвольном выходе па поверхность они могут перемешиваться с поверхностными водами или загрязняться другим путем. В таблице 1 приведена классификация воды по общей жесткости.

Поверхностные воды питаются как родниковыми, так и атмосферными водами. Их более высокая температура, а у текущих и движение, увеличивают потерю углекислого газа, задерживающего компоненты временной жесткости в растворе, поэтому эти воды бывают более мягкими. Их химический состав очень подвижен. Кроме того, они бывают более или менее загрязнены, главным образом при прохождении через города и промышленные центры. В бродильном производстве поверхностные воды можно использовать в качестве производственных только после предварительной обработки.

Таблица 1 - Показатели жесткости различных вод
Таблица 1 — Показатели жесткости различных вод

Требование к качеству воды

Вода, используемая в пивоварении, должна удовлетворять требованиям, предъявляемым к питьевой воде. Необходимо, чтобы она обладала следующими основными свойствами.

Общепринятые понятия

Питьевая вода должна иметь по возможности постоянные, не изменяющиеся в течение года физические, химические, микробиологические и биологические свойства. Она не должна бить загрязнена поверхностными или сточными водами; при употреблении человеком не должна вызывать нарушений в организме.

Физические и химические свойства

  • Внешний вид: Прозрачная жидкость; допустимое максимальное помутнение — 5 мг суспензии SiO2/л, среднегодовое — 3 мг SiO2/л 20° по платиново-кобальтовой шкале
  • Окраска, не более
  • Вкус: свежий, без несвойственного привкуса
  • Запах: без какого-либо запаха (предельная величина степени запаха 2 балла)
  • pH: 6—8; исключение 8,5
  • ХПК, мг О2/л, не более 3
  • Общая жесткость 8—12; предел 2—40
  • Железо, мг/л, не более 0,3
  • Марганец, мг/л, не более 0,05
  • Сульфиты, мг/л  60—80, но не более 250
  • Сухой остаток при 105°С, мг/л до 500, но не более 1000
  • Магний, мг/л, не более 125
  • Нитраты, мг/л, не более 35
  • Фенолы при хлорировании воды допустимо такое количество, которое еще не дает хлорфенольного запаха
  • Остаточный хлор, мг/л, неболее 0,2 у потребителя
  • Хлориды, мг/л  до 50
  • Аммиак, фосфаты, сероводород, нитриты отсутствие
  • Фтор, мг/л, не более 1.0
  • Селен, мг/л, не более 0,05
  • Свинец, мг/л, нс более 0,1
  • Мышьяк, мг/л, не более  0,05
  • Медь, мг/л  3,0
  • Цинк, мг/л, не более  5,0
  • Цианиды, ртуть, барий, хром отсутствует

Микробиологические свойства

Питьевая вода не должна содержать возбудителей заболеваний. Вода для местного снабжения должна содержать в 1 мл не больше 20 мезофильных и 10 психрофильных бактерий. Загрязнение колиформными микробами является отрицательным для местного снабжения при показании в 50 мл воды, а для центрального снабжения в 100 мл воды.

Биологические свойства

Питьевая вода не должна содержать никаких живых макроскопических или микроскопических организмов, которые определяют связь с поверхностными или сточными водами.

Микроскопически определяемые свойства

Центрифугат из 100 мл воды не должен содержать никаких микроскопически определяемых органических остатков растительного или животного происхождения.

Вода для приготовления сусла

Как один из основных видов сырья вода применяется во всем производственном процессе и является важной составной частью продукта. Ее влияние на ферментативные реакции при затирании, а тем самым на свойства пива, проявляются в изменении pH сусла, которые вызываются минеральными компонентами воды. Независимо от pH компоненты воды могут непосредственно изменять вкус пива.

Влияние воды на кислотность сусла и пива

Естественную кислотность промежуточных пивоваренных продуктов и конечных продуктов определяют фосфаты калия, содержащиеся в солоде. При этом кислый первичный фосфат калия КН2РО4 преобладает над вторичным фосфатом калия К2НРО4. Оба действуют одновременно как буферные растворы. В водном растворе этих солей дигидрофосфатные Н2РО4 , моногидрофосфатные НРО42-, а также фосфатные РО33- ионы находятся в равновесии. Их соотношение зависит от pH; чем кислее раствор, тем выше концентрация дигидрофосфатных ионов Н2РО4 .

По отношению к индикаторам растворы первичных фосфатов в результате частичной ионизации дигидрофосфатного иона реагируют кислотным образом:

Н2РО4 ↔ НРО42- + Н+

Вторичные фосфаты реагируют как слабощелочные, поскольку ион гидрофосфата гидролизуется

НРО42- + Н+ + ОН →  Н2РО4  + ОН

Растворы нормальных фосфатов реагируют по той же причине как сильнощелочные

РО43- + Н+ + ОН ↔  НРО42-+ ОН

Из минеральных компонентов воды карбонатные ионы НСО3 снижают естественную кислотность сусла пропорционально щелочности. И, наоборот, ноны кальция Са2+ и магния Мg2+ повышают кислотность, и тем самым частично парализуют вредное влияние карбонатных ионов.

Снижение естественной кислотности (повышение pH) заторов, сладкого сусла и сусла охмеленного с точки зрения технологического процесса всегда отрицательно. Это проявляется в затруднительном осахаривании заторов, медленной фильтрации сусла, которое при этом недостаточно прозрачно, в более темных заторах и сусле и менее интенсивном выделении бруха при кипячении сусла с хмелем, а иногда и в более низком выходе экстракта.

Пиво из сусла с более высоким pH бывает неприятно горьким и склонным к биологической нестойкости.

Реакции, которые протекают между анионами и катионами, поставляемыми, с одной стороны, солодом, с другой — водой, идущей на приготовление пива в условиях затирания довольно сложны. Поскольку они влияют на формирование вкусовых качеств каждого сорта пива, на них издавна было сосредоточено внимание теоретиков и практиков. По этому вопросу имеется обширная библиография. Первые подлинные данные относятся к Виндишу (1910), который решил всю проблему еще не будучи знаком с теорией электролитической диссоциации; он пришел к следующим выводам.

Первичный фосфат калия реагирует с. бикарбонатом кальция таким образом:

Вода для пивоварения

Если пивоваренная вода богата бикарбонатом кальция, т. е. имеет высокую временную жесткость, то реакция протекает так.

Вода для пивоварения

В обоих случаях из двух молекул первичного фосфата калия образуется одна молекула вторичного фосфата, тем самым снижается кислотность сусла. Вторичные фосфаты и нормальные (третичные) фосфаты кальция выпадают из раствора в нерастворимый осадок.

С бикарбонатом магния происходят следующие реакции:

Вода для пивоварения

Здесь тоже образуется одна молекула вторичного фосфата калия, однако одновременно возникающий вторичный фосфат магния в отличие от фосфата кальция тоже растворим, а нормальный (третичный) фосфат магния растворим частично.

С щелочными бикарбонатами протекает следующая реакция:

Вода для пивоварения

Следовательно, из каждой молекулы образуется эквивалентное количество вторичного щелочного фосфата.

Из приведенных уравнений вытекает, что наиболее сильно подщелачивают сусло щелочные бикарбонаты, потом магния и менее всего кальция.

Нейтральные кальциевые и магниевые соли сильных кислот реагируют с. вторичным фосфатом калия следующим образом:

Вода для пивоварения

Три молекулы сульфата кальция (гипс) дают две молекулы первичного фосфата калия. Одновременно возникший нормальный (третичный) фосфат кальция нерастворим и поэтому выпадает из раствора. Тем самым кислотность сусла повышается (pH попижается).

Эти основные реакции, сформулированные Виндишом. в последнее время были пересмотрены. Гонкинс и Амфлет  подтвердили, что щелочпое действие бикарбонатов возрастает по порядку Са, Мg, Nа или К.

днако из их открытия вытекает, что при обычных температурах затирания даже при перемешивании не выделяется весь углекислый газ и поэтому реакции протекают полностью только при кипячении затора и сусла. Однако и после основательного устранения углекислого газа pH не поднимается, а даже несколько падает. Эта аномалия объясняется реакциями ионов Са2+ и Мg2+, которые повышают кислотность. При использовании воды, бедной Са2+ и Мg2+ кислотность тоже несколько возрастает, так как влияют Са2+ и Мg2+ из солода.

В противоречии с открытием Виндиша (по данным указанных авторов) кислотность возрастает не при реакции ионов Са2+ и Мg2+ с вторичным фосфатом кальция, а при реакции с органическими фосфатами, главным образом фитином, а возможно и с белками

Вода для пивоварения

Реакции этого типа протекают без нагрева очень медленно. Поэтому повышение кислотности в значительной мере проявляется только при кипячении.

По мнению Берглунда  снижение кислотности под влиянием бикарбонатов щелочноземельных металлов является результатом взаимодействия систем карбонатного буфера (НСО3— СО2) в воде и фосфатного буфера (НРО42+—Н2РО4) из солода. Карбонатная система сдвигает pH фосфатной системы в щелочную сторону, в то время как фосфатная система, наоборот, сдвигает pH карбонатной системы в более кислую область. Результат зависит от молекулярных концентраций в среде, т. е. от буферной способности. Это понятие дополняет результаты Виндиша и уточняет их в соответствии с современными научными данными. В связи с вышесказанным можно сделать вывод, что подщелачивающее действие воды на приготовления пива пропорционально ее щелочности, определяемой титрованием по метиловому оранжевому.  Нейтрализация не происходит в начале затирания, а проявляется постепенно по мере удаления углекислого газа, который освобождается в результате разложения бикарбонатов:

Вода для пивоварения

В противоречии с приводившимися более ранними точками зрения Берглунд доказывает, что вместо нормального (третичного) фосфата кальция при осаждении из водных растворов всегда образуется его сдвоенное соединение с гидроксидом кальция ЗСа3(РО4)2Са(ОН)2 называемое апатитом. Остальные фосфаты кальция тоже постепенно гидролизуются в апатит, который является наиболее стойким соединением во всем диапазоне pH.

Вторичный фосфат кальция осаждается только при низких температурах затирания. Тем самым раствор обедняется на моногидрофосфатные ионы 1НРО42-, так что отношение НРО4: НРО42-  в фосфатном буфере возрастает в пользу дигидрофосфатных ионов НРО4 и кислотность раствора повышается (pH понижается).

Количественные отношения сформулировал Кольбах. Бикарбонатный ион HCO3,содержащийся в природных водах, повышает pH, а ионы кальция Са2+ и магния Mg2+ снижают pH сусла.  Mg2+ снижает pH в 2 раза меньше, чем Са2+. Для компенсации повышения pH, вызванного I эквивалентом HCO3, необходимо 3,5 эквивалента Са2+. Из этих зависимостей можно высчитать остаточную щелочность, характеризующую изменение pH сусла под влиянием воды. Эта часть общей щелочности не компенсируется ионами Са2+ и Mg2+. Для их расчета необходимо знать расход т 0,1 и раствора НСl для титрования 100 мл воды с метиловым оранжевым.

Снижение pH под влиянием ионов Са2+ и Mg2+ проявляется в готовом пиве, в то время как декарбонизацией воды снижается только pH сусла. С точки зрения щелочности вода для приготовления пива тем лучше, чем ниже щелочность по метиловому оранжевому и одновременно выше содержание Са2+.

Влияние воды на вкус пива

Соли, содержащиеся в пивоваренной воде, если их много, отражаются на вкусе пива, даже независимо от pH. Это важное влияние однако изучено недостаточно.

Силикатные ноны SiO32- оказывают влияние на вкус косвенным путем тем, что могут помешать брожению уже в обычном количестве от 10 до 30 мг/л и что способствуют образованию коллоидного помутнения в пиве. Силикаты, содержащиеся в пиве, происходят большей частью из солода, в то время как с водой их попадает в пиво относительно немного.

Нитратные ионы NO3 в больших концентрациях явно отрицательно влияют на вкус нива. Кроме того, нитраты при брожении частично восстанавливаются в нитриты; нитритный ион NО2токсически воздействует на дрожжи. Отрицательное вкусовое влияние нитритов обнаруживается при концентрации от 25 мг/л.

Хлорные ионы Сl придают пиву более тонкий и сладкий вкус. Они считаются безвредными даже при высоких концентрациях.

Железо Fе2+ и Fе3+ может ускорять дегенерацию дрожжей. В пиве легко возникает коллоидное помутнение. При высоких концентрациях пиво имеет неприятный вкус, интенсивный цвет и коричневую пену. Допускается от 0,2 до 0,5 мг Fе/л. Влияние марганца такое же, однако намного сильнее.

Магниевые ионы Mg2-» при высоком содержании неблагоприятно влияют на вкус. Граница колеблется около 15°Н магниевой жесткости.

Натриевые ионы Na+ всегда оказывают неблагоприятное влияние на вкус пива.

При определении влияния воды на вкус пива необходимо принимать во внимание также соли из солода. Лагерное пиво из воды обычного состава содержит в 1 л приблизительно около 1960 мг золы; если использовать дистиллированную воду, содержание золы снизится приблизительно до 1800 мг/л.

Почти никакой разницы во вкусе не возникает под влиянием хлорида кальция и магния, сульфата кальция и магния или карбоната кальция и магния. Хлорид кальция придает неприятно соленый вкус уже при содержании, соответствующем больше 20°Н. Магниевый ион вреден в той же концентрации. Кальциевый ион вызывает неприятно горький вкус.

Различный состав вод, применяемых для приготовления пива, проявляется в разной степени сбраживания его. Обычно наиболее глубоко сбраживается пиво из воды с низким содержанием солей (пильзенская вода), если не действуют одновременно другие факторы; несколько меньше сбраживается пиво из воды с отношением временной жесткости к постоянной как 1 : 1 и еще меньше пиво из воды с преобладающим содержанием сульфитов.

Воды с преобладающей временной жесткостью способствуют при варке сусла с хмелем образованию молекулярной формы горьких хмелевых веществ, что проявляется в резком, горьком вкусе пива.

Типичные воды для пивоварения

Из вышесказанного вытекает, что химический состав воды, расходуемой для приготовления пива, оказывает влияние на основные свойства пива, главным образом на его вкус, цвет и стойкость. Поскольку химический состав воды зависит от геологического характера местности, влияние воды следует рассматривать как локальный фактор. Воды, используемые для производства экспортных сортов пива, считаются типичными водами для пивоварения. Предполагается, что для производства пива типичных сортов необходимо использовать воды соответствующего химического состава.

Пиво из воды неподходящего состава по вкусу абсолютно не соответствует данному типу. Такое пиво можно улучшить только обработав воду, расходуемую на варку.

Исправление состава воды используемых для пивоварения

Для улучшения состава воды из обычных методов обработки пригодны только те, которые позволяют устранить неподходящие компоненты таким образом, что в воде не появляются никакие другие ионы и не повышается содержание некоторых ионов, уже имеющихся в исходной воде.

Лучше всего поддаются обработке карбонатные воды. Их можно улучшить снижением временной жесткости, а именно декарбонизацией, нейтрализацией кислотами или частичной компенсацией вредного влияния карбонатов путем добавления гипса.

В пивоварении стали применять методы обессоливания воды ионообменннками, позволяющими устранить из воды любые катионы и анионы. Обработанная таким образом вода подвергается дальнейшей обработке до требуемого состава чаще всего путем перемешивания с исходной водой.

Для обработки воды на пивоваренных заводах используются также непрерывно действующие автоматические установки, которые настолько надежны, что при хорошем контроле не дают существенных отклонений в составе обрабатываемой воды.

Декарбонизация

При декарбонизации из воды устраняются компоненты временной жесткости путем осаждения нормального карбоната кальция и магния или при кипячении, т. е. термически, или при добавлении извести.

Термический метод

Это наиболее старый, в настоящее время совсем забытый метод, основанный на разложении бикарбоната щелочноземельных металлов при кипячении согласно следующим уравнениям:

Вода для пивоварения

Карбонат кальция почти нерастворим и поэтому устраняется довольно хорошо. Однако карбонат магния выделяется медленно, неполностью и при охлаждении воды снова частично растворяется. Поэтому в производстве эффект смягчения воды зависит от общего состава и колеблется в широком диапазоне в зависимости от условий. Кипячение следует проводить относительно долго, а это увеличивает эксплуатационные расходы. Только воды с преобладающей временной кальциевой жесткостью и с незначительной магниевой жесткостью можно умягчить довольно быстро до 2,5—3°Н.

Декарбонизация известью

Компоненты временной жесткости при добавке извести осаждаются уже без нагревания по следующим уравнениям:

Вода для пивоварения

Одновременно связывается также свободная окись углерода:

Вода для пивоварения

Весь добавленный гидроксид кальция снова выделяется в виде карбоната, так что в умягченной воде не остается никаких вновь образовавшихся продуктов реакции. Одновременно осаждается почти все железо, если оно присутствует в виде бикарбоната. Кроме того, седиментируюший осадок задерживает большую часть органических веществ и микроорганизмов. Недостатком этого метода является то, что магниевую жесткость можно устранить только большим избытком извести, который нельзя использовать для воды, расходуемой на варку пива и поэтому магний устраняется только частично. Этот метод в обычном исполнении пригоден только для обработки вод с высокой временной жесткостью и с низкой магниевой жесткостью.

Для полного устранения магниевой жесткости кислый карбонат магния надо перевести двойной дозой извести в гидроксид по уравнению:

Вода для пивоварения

В практике вода, расходуемая на варку пива, декарбонизустся известью или периодически, или чаще в устройствах непрерывного действия.

Для устранения временной жесткости воды известь следует добавлять в количестве, эквивалентном временной жесткости и свободной углекислоте. Поскольку более полное устранение магниевой жесткости требует двойной дозы извести, чтобы образовался гидроксид магния, доза повышается на долю, эквивалентную присутствующей МgО.

Известь добавляют чаще всего в виде известкового молока или насыщенной известковой воды, изредка в порошке. Содержание активного СаО определяют титрованием 0,1 н. раствора НСl по метиловому оранжевому. Если вместо СаО имеется Са(ОН)2, то количество СаО рассчитывают путем увеличения в соотношении 56/74.

При периодическом процессе воду обрабатывают в чанах емкостью, соответствующей количеству воды, затраченной на всю варку и промывку. После добавления извести содержимое чана должно быть хорошо перемешано с помощью сжатого воздуха, центробежного насоса или мешалки, после чего образовавшуюся карбонатную муть оставляют осаждаться (как правило, на 24 ч) до образования крупных хлопьев. Воды с высокой временной жесткостью и высоким содержанием нейтральных солей кальция осаждаются, как правило, хорошо. Осаждению мешает присутствие органических веществ: вместо осадка образуется только помутнение. Образованию осадка способствует интенсивное перемешивание, нагрев и главным образом добавка карбонатного осадка от предшествующего умягчения или небольшого количества сульфата алюминия.

Непрерывное проточное устройство

Известковую воду или молоко отмеривают автоматически дозатором прямо в поступающую воду, с которой они хорошо перемешиваются. Осадок карбоната кальция седиментируется при пониженной скорости истечения прямо в умягчителе. Время, необходимое для осаждения, превышает, как правило, 2 ч. Чтобы устранить остатки осадка, за осветлителем устанавливают закрытый песчаный фильтр, в который умягченная вода поступает снизу.

Вода с преобладающей временной кальциевой жесткостью (магниевая жесткость самое большее до 20%) хорошо и быстро декарбонизуется в проточных реакторах конусного типа (обратного). Седиментационная часть умягчителя наполнена тонко зернистым (диаметр до 0.25 мм) мрамором или кремниевым песком. Вода с известковым молоком вводится снизу тангенциально, благодаря чему быстро поступает по спирали вверх. При вихревом движении в среде мелкого песка твердый карбонат кальция быстро осаждается прямо на песчинках (осадок не образуется), размер которых увеличивается. Когда они достигнут размера около 2 мм, и заполнят всю седиментационную часть устройства, все содержимое его должно быть заменено. При таком процессе нет необходимости в продолжительной седиментации осадка. Замена твердого содержимого реактора более удобна, чем устранение осадка.

В практике известь нужно дозировать точно. Если добавляемая известь не может связать всю свободную двуокись углерода, то снова образуются бикарбонаты, так что временная жесткость устраняется не полностью. Излишняя доза извести повысила бы щелочность воды, что тоже является серьезным технологическим недостатком. Поэтому необходим постоянный контроль, который заключается в том, что в 100 мл воды титрованием определяют щелочность по метиловому оранжевому (т ) и кроме того по фенолфталеину (f). При правильной дозировке извести 2f > т . Если же 2f > т, то избыток извести и дозу следует уменьшить, если же 2f < т , то недостаток извести и дозу следует увеличить. Хорошо декарбонизованная вода имеет временную жесткость около 30Н. Ее т не должно быть выше, чем 1 мл 0,1 н раствора НСl на 100мл=1 мг·экв/л = 2,8°Н.

Декарбонизация с помощью извести довольно проста и дешева. Благодаря ей можно существенно улучшить большую часть карбонатной воды с низкой магниевой жесткостью, которую нельзя устранить обычным способом. Такие воды имеют после декарбонизации также низкую временную жесткость, однако главным образом магниевую. Технологическое качество воды существенно не улучшается.

Щелочные бикарбонаты при декарбонизации известью не устраняются. Их можно выделить прежде всего на хлориды, а именно добавкой эквивалентного количества хлорида кальция. Са(НСО3)2, образующийся в результате реакции, устраняется известью. Для такой обработки действительны следующие уравнения:

Вода для пивоварения

Вместо NаНСОз обработанная вода содержит эквивалентную долю хлорида натрия NаСl.

Нейтрализация

Неблагоприятное с технологической точки зрения влияние щелочности воды можно отрегулировать также нейтрализацией бикарбонатов кислотами. Из неорганических кислот чаще всего используется серная кислота, реже соляная и фосфорная, из органических— главным образом молочная.

Из бикарбонатов образуется нейтральная соль использованной кислоты, это означает, что временная жесткость воды перейдет в постоянную жесткость. Реакция имеет следующий вид:

Вода для пивоварения

При всех реакциях нейтрализации освобождается углекислый газ, который агрессивен и сильно корродирует резервуары и трубопроводы. Поэтому часто вместо воды окисляют непосредственно заторы. Однако при таком процессе нельзя нейтрализовать воду, расходуемую на промывку пивной дробины, что является недостатком с технологической точки зрения.

Обычно рекомендуется нейтрализовать около 2/з щелочности воды. По Де Клерку, щелочность нейтрализуется по метиловому оранжевому путем снижения на 0,4 часть эквивалента кальция.

Недостатком этого метода является то, что нейтральная соль кислоты, использованной для нейтрализации, остается в растворе. Значительные трудности возникают в производстве из-за корродирующего влияния освободившейся двуокиси углерода. Наконец, санитарные нормы не допускают использование всех названных кислот.

Гипсование

Гипсование, или буртонизация, — это старый метод обработки карбонатных вод, использующий реакцию Са2+, добавляемого в виде гипса, с помощью которого косвенно повышается кислотность сусла. Однако известно, что добавка небольшого количества гипса дает незначительный эффект, в то время как большие дозы неблагоприятно отражаются на вкусе и общем характере пива и меняют также равновесие остальных солей. Поэтому гипсование не имеет значения как самостоятельный метод обработки вод, расходуемых на варку пива, и его используют большей частью только для компенсации остаточной временной жесткости вод. умягченных другим методом, или очень мягких карбонатных вод. Для этого достаточно 5—8 г гипса/гл. В противном случае доза гипса колеблется от 5 до 30 г/гл. В пивоваренной практике используется гипс (обожженный), а не молотый минеральный.

Обессоливание

Обессоливание является новейшим методом обработки пивоваренных вод, который вытесняет классические химические методы с того момента, как были получены синтетические ионообменные смолы. В зависимости от исходного сырья ионообменные смолы содержат или сульфогрупны НSОз, в этом случае они имеют кислые свойства и задерживают катионы путем замены на ионы Н+ (Н-смолы-катнониты), или аминогруппы NH2, тогда они имеют основные свойства и задерживают анионы, заменяя их на ионы ОН (ОН-смолы-аниониты).

С помощью ионообменных смол можно теоретически очистить воду от всех солей, включая щелочные бикарбонаты, простой фильтрацией обрабатываемой воды. Для этого воду сначала пропускают через фильтр с катионитом, где происходят реакции следующего типа:

Вода для пивоварения

После прохождения через катионит вода содержит свободные кислоты, соответствующие анионам, имеющимся в исходной воде. В следующем фильтре с анионитом протекает следующая реакция:

Вода для пивоварения

После фильтрации вода, как правило, имеет слабощелочную реакцию и очень редко слабокнслую. Если рекомендуется нейтральная реакция обработанной воды, то устанавливается еще один нейтрализующий фильтр, называемый обычно буферным обменником.

Истощенные фильтры легко регенерируются, а именно кислые— 5%-ной соляной кислотой (НСi), а основные — 2%-ным или 4%-ным раствором едкого натра (NaOH). После слива избытка реагентов и прополаскивания водой фильтры можно снова использовать. Буферные обменники нет необходимости регенерировать.

Недостатком этого метода является то, что углекислый газ, освободившийся во время реакции с катионитом из бикарбонатов, не связывается основной смолой и действует сильно корродирующе. Чтобы обработанная вода снова не оказалась непригодной, на поверхность металлического оборудования наносится покрытие из пластических масс и используются трубопроводы из того же материала.

Вода, исправленная обессоливанием, становится пригодной для варки пива только после дальнейшей обработки, которая состоит в том, что она перемешивается с исходной необессоленной водой в таком соотношении, чтобы был достигнут требуемый технологически наиболее подходящий солевой состав.

Способы исправления поверхности вод

Поверхностные воды и некоторые родниковые воды поверхностного характера нельзя использовать в пивоварении без соответствующей обработки. Они бывают загрязненными и не совсем бесцветными, а иногда имеют слабый запах и почти всегда бактериально загрязнены. Их обработка заключается в устранении грубых и коллоидных суспензий фильтрацией, если нельзя использовать естественную фильтрацию, например, организацией так называемых прибрежных колодцев, и в стерилизации путем хлорирования, обычно с последующим дехлорированием. При такой обработке вода одновременно обесцвечивается и освобождается от запахов. В широком смысле к общей обработке воды относится удаление железа и марганца и раскисление.

Осветление и фильтрации

Обычно поверхностные речные и озерные воды осветляются путем добавки химических реактивов, в результате реакции которых с компонентами временной жесткости воды образуются крупные хлопьеобразные осадки. Эти осадки при седиментации захватывают образующие муть вещества. Метод использует трехвалентные ионы Аl2+, Fe3+, которые по закону Шульца обладают характерной особенностью осаждаться на коллоидных частицах.

В качестве коагулянта используется сульфат алюминия, хлорид или сульфат железа, иногда сернокислое закисное железо и окисляющий реагент. Реакция сульфата алюминия с бикарбонатом кальция протекает следующим образом:

Вода для пивоварения

В качестве коагулянта используется также гидроокись алюминия (или железа), которая действует не только механически, но одновременно адсорбирует частицы с противоположным электрическим зарядом.

Полное осаждение обусловлено хорошим перемешиванием обрабатываемой воды с коагулянтом и поддержанием оптимального pH. Гидроокись алюминия образует осадок в виде грубых хлопьев при pH от 4 до 6. При pH ниже 4 —осадок из тонких хлопьев; если pH превышает 8, то вместо гидроокиси образуется алюминат. Гидроокись железа хорошо осаждается при pH от 6 до 8; зависимость от pH не такая четкая, как у гидроокиси алюминия. У воды с очень низкой временной жесткостью коагуляцию следует поддерживать путем добавки извести. При осаждении сульфатом алюминия необходимо, чтобы снижение pH, вызванное добавкой коагулянта, не было в отношении оптимума слишком большим. При осаждении солями железа добавкой извести удерживается относительно высокий оптимальный pH. Низкая температура воды замедляет коагуляцию.

Из химических уравнений реакций осаждения вытекает, что при осветлении химикалиями часть временной жесткости воды переходит в постоянную жесткость. Такая декарбонизация технологически выгодна.

Правильную дозировку коагулянтов необходимо установить лабораторным путем. В практике на 1 м3 воды дозируется от 10 до 120 г сульфата алюминия или железа, или от 10 до 60 г хлорида железа. Добавка окисляющих реагентов (хлора, манганита калия, кислорода воздуха) улучшает вкус и цвет воды, устраняет запах и часть органических веществ.

Установка для обработки воды (рисунок 1) состоит из смесителя, в котором поступающая на обработку вода перемешивается с коагулянтом, хлопьеобразователя (флокулатора), в котором образовавшаяся в смесителе муть собирается в большие хлопья, и специального осветлителя, обеспечивающего осаждение грубых хлопьевидных осадков с загрязнениями при пониженной скорости истечения. В современных вертикальных осветлителях работают с так называемым иловым облаком, которое при прохождении воды снизу захватывает увлекаемый осадок и тем самым ускоряет осветление.

Вместе с коагулянтами при современной обработке воды в смеситель подают манганит калия, а также хлор для частичного окисления органических веществ и стерилизации.

Установки для обработки поверхностных вод имеют автоматические дозаторы химических реактивов различных конструкций, в частности, регулирующие или диафрагмовые насосы, диафрагмовые опрокидывающиеся весовые дозаторы для сухих веществ, мерники для осаждающих растворов и соответствующие сатураторы.

Осветленная вода для промышленных целей фильтруется в закрытых скоростных песочных фильтрах, дехлорируется и освобождается от запахов (дезодорируется) путем фильтрации через активированный уголь и собирается в резервуары.

1 — сборник; 2 — насосы для неочищенной воды; 3 — скоростное перемешивание неочищенной воды с химическими реагентами; 4 — осветлитель; 5 — открытый песочный фильтр; 6 — резервуар для чистой воды; 7 — насос для чистой воды ; 8 — напорный дехлоратор с активированным углем ; 9 — хлорирование неочищенной воды ; 10 — дозировка сульфата алюминия; 11 — дозировка извести; 12 — хлорирование очищенной воды Рисунок 1 - Схема водоочистительной станции:
1 — сборник; 2 — насосы для неочищенной воды; 3 — скоростное перемешивание неочищенной воды с химическими реагентами; 4 — осветлитель; 5 — открытый песочный фильтр; 6 — резервуар для чистой воды; 7 — насос для чистой воды ; 8 — напорный дехлоратор с активированным углем ; 9 — хлорирование неочищенной воды ; 10 — дозировка сульфата алюминия; 11 — дозировка извести; 12 — хлорирование очищенной воды
Рисунок 1 — Схема водоочистительной станции

Снижение кислотности

Большинство вод из природных источников и все воды, обработанные для осветления химическими реагентами, содержат наряду с равновесной углекислотой и другие свободные фракции, т. е. агрессивные угольные кислоты. Чтобы предотвратить коррозию водопроводных коммуникаций и резервуаров, воду следует очистить от агрессивной части угольной кислоты.

Мягкие воды для пивоваренных целей лучше всего раскислять химическим методом, а именно фильтрацией через мраморные фильтры или известкованием.

В мраморном фильтре свободная угольная кислота связывается в карбонат кальция. Этот метод наиболее подходит для вод с временной жесткостью от 2,5 до 75°Н. На каждые 10 мг Са2/л, т. е. 10 г СО23, жесткость повышается на 1,27°Н. Расход мрамора приблизительно 25 г на каждые 10 г СО2. За работой хорошо рассчитанного мраморного фильтра не нужен специальный контроль, поскольку карбонат кальция может растворяться только в количестве, эквивалентном присутствующей свободной углекислоте.

Магниевые фильтры менее пригодны для раскисления воды, расходуемой на пивоваренные цели, их наполнительный материал содержит MgO, так что при раскислении у воды кроме временной кальциевой жесткости повышается магниевая жесткость.

Временную жесткость воды повышают известкованием, а именно на каждые 10 мг СО2/л на 0,64°Н; следовательно, расходуется 6,4 г (100%-ного) СаО, т. е. 8 г 80%-ного или 12,8 г 50% -ного на каждые 10г СО23. Известь добавляют в виде прозрачной известковой воды. Известковое молоко и известковую пыль можно использовать только тогда, когда за раскислением следует фильтрация воды.

Удаление из воды железа и марганца

Если железо присутствует в воде в виде бикарбонатов, его можно легко перевести в нерастворимый гидроксид железа путем простой аэрации. Кислород для окисления железистой соли в железную можно добавить вместе с окислителем, например манганитом калия, хлора и т. п.

Гидроокись железа в этом случае выделяется довольно легко, если вода имеет высокую временную жесткость и щелочную реакцию (pH 7). Выделение гидроокиси катализирует соприкосновение с гидроокисью железа, которая находится на материалах с шероховатой поверхностью и острыми гранями (кокс, разные керамические материалы и т. п.).

И, наоборот, выделение гидроксида железа довольно затруднительно у вод с высоким содержанием органических веществ (гуминовых) в присутствии щелочных бикарбонатов, если вода имеет низкую карбонатную жесткость или высокое содержание свободного углекислого газа, а также если железо связано как сульфат. Поэтому у некоторых вод необходимо сначала устранить органические вещества осветлением с помощью коагулятов или энергичным окислением манганитом калия и хлором. Железо, связанное как сульфат, выделяется после окисления только в щелочной среде (добавка извести).

Точно также довольно легко устраняется марганец, связанный как бикарбонат; если он присутствует в виде сульфата, то устраняется с трудом. В первом случае следует связывать свободный углекислый газ добавкой извести и изменить реакцию воды на pH от 7,5 до 8,0. Марганец, связанный в серной кислоте или даже в органической кислоте, препятствует окислению и его можно удалять только обезмарганцивающим фильтром с пиролюзитной прокладкой или с наполнением марганцевым пермутитом (реагирует с манганитом калия).

Для удаления железа и марганца из воды используются оросительные вентиляционные установки, или чаще закрытые вакуумные устройства. Это, как правило, песочные скоростные фильтры. К подводящему воду трубопроводу присоединен смеситель для воздуха, поступающего от компрессора. В случае, если вода имеет низкий pH, имеется подвод известковой воды или известкового молока. Для устранения трудно осаждаемых форм марганца устанавливается специальный обезмарганцивающий фильтр.

Стерилизация воды

Санитарная безвредность воды обеспечивается стерилизацией. Технически подходящий метод стерилизации воды должен обеспечивать лучшие результаты стерилизации, должен быть надежным и экономичным в части первоначальных и эксплуатационных расходов. Вода, которая выходит из стерилизатора, должна как можно дольше сохранять бактерицидные свойства.

Лучше всего всем этим требованиям отвечает хлорирование. Стерилизованная вода должна дехлорироваться, так как остаточный хлор придает пиву типичный привкус и кроме того его бактерицидное действие препятствует использованию воды при промывке ею технических культур пивоваренных дрожжей водой, а также хранению их под водой.

Кроме очень неприятного вкусового влияния хлора недостатком является также его ограниченное по времени действие, которое еще больше сокращается в результате дехлорирования. В то же время преимущество его в том, что хлор действует быстро, оборудование хлорирующего устройства простое, и первоначальные и эксплуатационные расходы довольно низкие.

Бактерицидное действие хлора преимущественно косвенное, хлор образует с водой сначала хлорную кислоту, диссоциированную в незначительной степени, которая легко отщепляет высоко активный кислород, бактерицидно эффективный:

Вода для пивоварения

Одновременно образующаяся соляная кислота (НСl) нейтрализует компоненты временной жесткости воды; тем самым возрастает постоянная жесткость.

В качестве сильного окислителя хлор также окисляет органические вещества до воды и углекислого газа. Тем самым несколько улучшается вкус и запах воды. Поэтому в практике следует добавлять столько хлора, чтобы его концентрации хватило для надежной стерилизации воды с учетом потребности на окисление органических веществ. Это особенно важно в тех случаях, когда хлор дозируют прямо в поступающую воду, как это имеет место на водоочистных станциях при обработке поверхностных вод.

Если вода не содержит большого количества органических или других веществ, способных к окислению, то добавляют обычно от 0,2 до 0,3 г Сl/м3. Если результат стерилизации надежный, то предпочитают главным образом при неустойчивом загрязнении воды слабое перехлорирование. При избытке хлора от 0,5 до 0,7 мг/л вода приобретает неприятный запах хлора. Если в сырой воде присутствуют следы фенолов, то при хлорировании возникает неприятный хлорфенольный запах.

Для хлорирования воды  используют исключительно газообразный хлор, который дозируется автоматическим прибором (хлоратором). Если расход хлора не превышает 1 кг за 24 ч, то для водоочистной станции пивоваренного завода достаточно двух приборов обычного типа, из них один резервный.

Для дехлорирования стерилизованной воды на пивоваренных заводах используются дехлорирующие скоростные фильтры с активированным углем различной зернистости. Собственно дехлорирование— это химический процесс, который выражается уравнением

Вода для пивоварения

Углерод окисляется хлором в углекислый газ (агрессивный) при одновременном образовании соляной кислоты.

Одновременно с дехлорированием проявляются также адсорбционные свойства активированного угля, выражающиеся в устранении запаха (дезодорация) и улучшение цвета и вкуса воды.

Содержание остаточного хлора в дехлорированной воде колеблется от 0,02 до 0,05 мг/л. Однако, если вода содержит следы фенолов или их производных, то остаточный хлор должен устраняться полностью, иначе вода приобретает хлорфенольный запах.

Производственная вода

Производственная вода используется в пивоварении главным образом для охлаждения, мытья и чистки, а также для питания паровых котлов. Хорошая вода образует наименьшее количество отложений (инкрустов) в резервуарах, коммуникациях и других потребителях как без нагрева, так и при нагреве. Поэтому она не должна содержать суспендированных неорганических и органических веществ, большого количества соединений железа и марганца, из которых при окислении выделяются гидроокиси, должна иметь низкую временную жесткость, чтобы при нагреве не образовывалась накипь, и не должна корродировать материалы, главным образом металлы.

Охлаждающая вода должна иметь низкую температуру с незначительными колебаниями в течение года и особенно в летний период. Поэтому предпочитают грунтовые воды перед поверхностными. Жесткая вода в исходном состоянии не пригодна для охлаждения охмеленного сусла на оросительных холодильниках и в проточных холодильниках для охлаждения бродильных чанов и даже для охлаждения оросительных конденсаторов холодильных машин, поскольку образует отложения, которые необходимо часто устранять, чтобы не снизить теплопередачу.

Для получения теплой воды в нагревателях всех типов лучше использовать мягкую, иногда умягченную питьевую воду. Если при нагреве она стерилизуется, что зависит от температуры и времени, то бактериальный состав исходной воды имеет второстепенное значение.

Вода для производства пищевого льда должна содержать наименьшее количество растворенных веществ. Если она содержит много солей, главным образом карбонатов, то лед не прозрачен; при замерзании соли скапливаются внутри бруска и образуют непрозрачное ядро. Соединения железа и марганца окрашивают лед. Лед для пищевых целей изготавливается из питьевой воды.

Вода для мойки и чистки, если она используется в лагерных отделениях, т. е. для мойки и ополаскивания бродильных чанов и лагерных танков, для окончательной промывки транспортных бочек и бутылок, для промывки и хранения дрожжей, прополаскивания трубопроводов, шлангов, насосов, разливочных машин и другого оборудования в бродильном и лагерном отделениях, а также для промывки фильтрационной массы должна быть с гигиенической точки зрения безвредной. С технологической точки зрения необходимо, чтобы в ней отсутствовали микроорганизмы, способные загрязнять пиво. Химический состав этой воды имеет второстепенное значение. Воды, не отвечающие гигиеническим и биологическим требованиям, стерилизуют, чаще всего хлорированием.