aus Brauwelt 18-19/2013 - Brau-Partner

WASSER | WISSEN | BRAUWELTBrauwasser: Beschaffenheitund Aufbereitung (Teil 1)QUALITÄT UND GESCHMACK | Die Beschaffenheit desBrauwassers ist von entscheidender Bedeutung für die Qualitäteines Bieres. Jedes Bier, gleich welcher Brauart, besteht zu rund90 Prozent aus Wasser. Nach dem Bayerischen Reinheitsgebotist Wasser eine der für die Bierproduktion zugelassenen Zutatenund spielt eine Schlüsselrolle für die Qualität und den Geschmackdes Bieres. Je nach Biertyp muss das Brauwasser eine entsprechendechemische Zusammensetzung aufweisen. Diese istabhängig vom Quellort oder Erzeuger – in jedem Fall sind dieAnforderungen höher als die an Trinkwasser. Basis für die Qualitätund den Geschmack des zu brauenden Bieres ist eine äquivalenteWasseraufbereitung. In folgendem Beitrag werden die wesentlichenParameter von Brauwässern beschrieben sowie ihr Einfluss auf daszu brauende Bier. Ebenso werden unterschiedliche Verfahren für dieKonditionierung von Rohwässern für den Brauprozess erklärt.Autoren: Dipl.-Ing. Brauwesen und GetränketechnologieMaximilian Franke, AußendienstBayern Food & Beverage/ Trinkwasser &Abwasser, und Dipl.-Ing. Michael Birmelin,Marketing-Redakteur, ProMinent DosiertechnikGmbH, HeidelbergABHÄNGIG VON DER GEOGRA-PHISCHEN LAGE weist jedes Wasser inDeutschland seinen individuellen Gehaltan Inhaltsstoffen auf. So prägen vor allemdie unterschiedlichen Konzentrationenan Kalzium- und Magnesiumsalzen denCharakter des jeweiligen Brauwassers. DasCharakteristische eines jeden Bieres und derunterschiedlichen Biertypen ist historischgesehen auf das jeweils verfügbare Brauwasserzurückzuführen.Ein wichtiger Parameter für das Brauwasserist die Wasserhärte, die in Grad deutscherHärte (°dH) angegeben wird und sichaus der Karbonat- und der Nichtkarbonathärtezusammensetzt. Sie umfasst alle Kalzium-und Magnesiumsalze. Als wichtigsteAnionen sind hier das Hydrogenkarbonat,das aciditätsvernichtend wirkt, und dieKalzium- und Magnesiumionen, die aciditätsförderndwirken, zu nennen, ebenso dasSulfat und das Chlorid, die jedoch den pH-Wert der Maische nicht beeinflussen, sondernCa 2+ und Mg 2+ mitbringen.lRestalkalitätFür den Brauprozess ist jedoch nicht die Gesamthärtedes Wassers, sondern die Restalkalität[1] nach Kolbach von Bedeutung. Siecharakterisiert das Brauwasser hinsichtlichseiner Einflüsse auf den pH-Wert der Biermaische.Als wichtige Kennzahl beschreibtsie, was von der säurevernichtenden Wirkungder Karbonate übrigbleibt, wenn dieHärtebildner in der Maische reagiert haben.Entscheidend sind vor allem die Karbonathärteund deren Verhältnis zur Nichtkarbonathärte.Eine Restalkalität von Null beeinflusstden Maische- und Würze-pH-Wert [2]nicht. In diesem Fall ist der pH-Wert ausschließlichvon den Malzinhaltsstoffen abhängig.Das Wasser ist in seiner beeinflussendenWirkung mit destilliertem Wasservergleichbar.Eine Restalkalität von 10 °dH hebt denMaische-pH-Wert um 0,3, entsprechendsenkt eine Restalkalität von –10 °dH denpH-Wert um 0,3. Eine verhältnismäßighohe Karbonathärte führt zur Bindungder im Maischprozess entstehenden Säureund damit zu einer Anhebung des Maische-pH.lBiersorten in Abhängigkeitvon der RestalkalitätJe nach „Härte“ kann die entsprechendeBiersorte gebraut werden. Für helle, relativbittere und hopfenaromatische Bierewie Pilsner wird sehr weiches, salzarmesWasser mit einer Restalkalität von < 5 °dHbenötigt, wie es z. B. in Pilsen und anderentschechischen Orten vorhanden ist.Härteres Wasser wird dagegen für dunkle,malzaromatische Biere benötigt, die sichvor allem in Sachsen und Bayern entwickelthaben. Hier resultiert die hohe Restalkalitätvor allem aus der ausgeprägten Karbonhärteund gering ausgeprägten Nichtkarbonhärte.Dies bewirkt die dunkle Färbung,führt zu bitterem Hopfengeschmack undbehindert die Enzymtätigkeit.Im Vergleich dazu weist das DortmunderWasser eine die Karbonathärte überwiegendeNichtkarbonathärte auf. Dies führt trotzder hohen Härte zu einer geringen Restalkalitätund einer guten Eignung für helle Biere.Um das Brauwasser den Anforderungendes jeweils herzustellenden Biertyps optimalanzupassen, um beispielsweise auchaus hartem Wasser ein Pils brauen zu können,werden Brauwässer bei Bedarf aufphysikalischem Wege entkarbonisiert bzw.entsalzt. Man verwendet zum AusgleichBRAUWELT | NR. 18-19 (2013) 535

BRAUWELT | WISSEN | WASSERUmkehrosmoseanlageentweder gesättigtes Kalkwasser, setzt Ionenaustauscherein oder bedient sich derUmkehrosmose.Diese Verfahren entsprechen der Trinkwasserverordnungund ermöglichen demBraumeister, auf Wässer zurückzugreifen,ohne durch deren Zusammensetzung aufdie Produktion einer bestimmten Biersortefestgelegt zu sein.lBrauwasseraufbereitungZum Brauen von hellen Qualitätsbieren sindWässer mit einem weichen Härtegrad erwünscht.Diesen erzielt man durch Entkarbonisierenoder entsprechendes Entsalzen.Hierfür sind Ionenaustauscher, Elektro-Osmoseverfahren oder die Umkehrosmosegeeignet. Darüber hinaus ist es möglich,den aciditätsvernichtenden Einfluss derHydrogenkarbonat-lonen durch Zusatz vonKalzium-Ionen in Form von Gips oder Kalziumchloridzu kompensieren. Ebenso gelingtes mit Hilfe von Sauermalz oder Sauergut,die ungünstige Wirkung von Hydrogenkarbonatenaufzuheben.lEntkarbonisierung mitgesättigtem Kalkwasser [3]Entkarbonisiert wird meist bei kaltem odernur schwach erwärmtem Wasser. Der inForm von Kalkwasser zugesetzte Kalk bindetzunächst das freie und anschließenddas halbgebundene Kohlendioxid. DasKalziumhydrogenkarbonat wird dadurchin Form von Kalziumkarbonat ausgeschieden.Dann folgt die Umsetzung des Magnesiumhydrogenkarbonats.Vorhandene Eisensalzesetzten sich mit den Kalzium- undMagnesiumsalzen ebenfalls ab. Ein Zusatzvon Kalziumsalzen (Gips, Kalziumchlorid)ermöglicht eine weitere Absenkung derKarbonathärte, allerdings unter gleichzei-tiger Bildung der entsprechenden Magnesiumsalzeder Nichtkarbonathärte.lKontinuierlich arbeitende Enthärtungsanlagen[3]Diese Anlagen setzen Rohwasserverhältnissevoraus, die keinen größeren Schwankungender Härtegegebenheiten unterworfensind. Sie ermöglichen aufgrund ihres konstruktivenAufbaus eine einfache Abschlämmungder Fällungsprodukte. EinstufigeAnlagen, die bei günstig zusammengesetzenWässern eingesetzt werden können,bestehen aus einem „Kalksättiger“ zur Herstellungdes gesättigten Kalkwassers, einemReaktor, in dem der Enthärtungsvorgangabläuft, und einem Kies- bzw. Sandfilter zurvollständigen Klärung. Ein großer Nachteildieser Anlagen ist ihr großer Platzbedarf.lIonenaustauscherSchwierige Wässer lassen sich mit Ionenaustauschernzu Brauwasser aufbereitenund sorgen so für die Entkarbonisierungmagnesiareicher Wässer, die EntsalzungEnthärtungsanlage in einem Getränke herstellenden BetriebRestalkalität (RA) für unterschiedliche Biertypenmineralreicher Rohwässer oder für diegezielte Entfernung von Anionen wie Nitrat,Chlorid oder Sulfat. Im Vergleich zuKalkentkarbonisierungsanlagen sind Ionenaustauscherwesentlich kleiner unddamit in Investition und Raumbedarf entsprechendgünstiger. Sie werden deshalbauch zur Enthärtung von Wässern herangezogen,die sich mit Kalkfällung aufbereitenlassen.Nach Enthärten durch lonenaustauscherkann das Wasser durch einen Verschnittmit Rohwasser auf die gewünschteRestkarbonathärte eingestellt werden.Eine gewisse Kalziumkarbonathärtelässt sich auch aufbauen, indem kohlensäurehaltigesWasser vom Austauschermit gesättigtem Kalkwasser verschnittenwird. In Abhängigkeit vom Gehalt an Magnesiumhydrogenkarbonatbringt der VerschnittMg-Ionen als Nichtkarbonathärteein.Ionenaustauscher sind durch die notwendigeRegeneration mit konzentriertenChemikalien kostenintensiv und aufwändig.• helle Biere im Bereich von 0 °dH*• für Export, Kölsch, Lager kleiner 5 °dH• für Pilsbiere teilweise bis –5 °dH• Weizenbier größer 5 °dH, jedoch kleiner 10 °dHÜberschlägig kann man die RA mit folgender Formel berechnen:Restalkalität [°dH] = Karbonathärte – (Gesamthärte: 3,5 oder 4)Eine genauere Berechnung ist mit folgender Formel möglich:Restalkalität [°dH] = Karbonathärte – (Kalziumhärte/3,5) – (Magnesiumhärte/7)Liegen Werte für Calcium und Magnesium in mg/l vor, wird Calcium durch 7,15 dividiertund Magnesium durch 4,34.Gibt das Wasserwerk in seiner Wasseranalyse die Gesamthärte in mmol/l an, so ergibtdieser Wert mit 5,6 multipliziert Grad Härte [°dH].*Ein deutscher Härtegrad (1°dH) entspricht 10 mg Kalziumoxid oder 7,19 mgMagnesiumoxid/l H 2O536 BRAUWELT | NR. 18-19 (2013)

WASSER | WISSEN | BRAUWELTlElektrodiarese und ElektroosmoseDie Elektrodiarese ist ein Entsalzungsverfahren,dem das Prinzip der Dialyse zugrundeliegt. Es findet eine Wanderung von Ionen imelektrischen Feld durch zwischengeschaltetejeweils anionen- und kationensperrendeMembranen statt [4]. Dieses sowie ein weiteresVerfahren, dessen Prinzip darauf beruht,dass das zu reinigende Wasser durchdie Wirkung von Gleichstrom von Ionenbefreit wird – die Elektroosmose – kommennicht mehr oder nur noch sehr selten zurBrauwasseraufbereitung zum Einsatz (Beschreibungensind in der 6. und 7. Auflagedes Buches von Narziß [5] zu finden).lMembranfiltration –UmkehrosmoseDie Membranfiltration gewährleistet eineeffiziente und gleichzeitig umweltfreundlicheWasseraufbereitung, die nahezu ohneEinsatz von Chemikalien auskommt. ZurVorbehandlung vor einer Entsalzung mitUmkehrosmose wird zunehmend die Ultrafiltrationeingesetzt. Sie dient dem Abscheidenfeinster Partikel und Trübstoffe. UmVerblockungen der Module zu verhindern,werden in regelmäßigen Zyklen Rückspülungendurchgeführt.Die Umkehrosmose, die sich zur Aufbereitungvon Trinkwasser bewährt hat, wirdebenfalls zunehmend in Brauereien angewandt.Sie ermöglicht eine weitgehendeEntsalzung des Wassers [6, 7].Das Prinzip der Umkehrosmose basiertauf der Tatsache, dass der für Rohwassererforderliche Druck größer ist als der durchOsmose verursachte Druck. Aufgrund diesesDruckunterschieds müssen die Wassermoleküleeine halbdurchlässige Membrandurchqueren, wobei die gelösten Salze,organische Verunreinigungen und Mikroorganismenaufgrund ihrer Größe imKonzentrat zurückgehalten werden. Einsalzhaltiges Wasser wird dadurch in zweiStröme aufgeteilt, und zwar in das salzfreiePermeat und das salzhaltige Konzentrat.Dematerialisiertes Wasser ist nicht in derLage, Größe und Belastung der Salzmengedurch Ionen, die durch die Membran hindurchrutschen können, zu beeinflussen.Kleinere Ionen fließen automatisch durchdie Membran hindurch, während die größerenIonen leichter zurückgehalten werdenkönnen. Im Vergleich zu anderen Systemender Wasserenthärtung werden alle Ionen– Kationen und Anionen – gleichmäßigEinfluss der Salze/Ionen• Kalzium: Kalziumionen (Ca2+) verbessern die Arbeit der stärkespaltenden Enzymewährend des Maischprozesses• Magnesium: Magnesiumionen (Mg2+) führen in höheren Konzentrationen zu einembitteren Geschmack•Natrium: Natriumionen (Na+) führen als Natriumchlorid in hohen Konzentrationen zueinem salzigen/sauren Geschmack. Besonders aciditätsvernichtend als Natriumhydrogenkarbonat.Vorsicht bei Enthärtungsanlagen als Vorbehandlung zur Umkehrosmose.Es werden 1 mol Ca 2+ und Mg 2+ gegen 2 mol Na + getauscht. Dadurch sind besonders beiWässern mit hoher Ausgangshärte oft nach der Umhekrosmose noch höhere Natriumgehalteals im Rohwasser zu verzeichnen. Hier sind Scaleinhibitoren zu bevorzugen.BIERTYPENHelle, hopfenstarkeBiere (Pilsner)Dunkle Biere (Münchner)Karbonhärte geringe hoch hochNichtkarbon-härte fast keine kaum vorhanden hochbei geringem Salzgehaltund geringerRestalkalitätaus dem Wasser entfernt. Dies ist sonst nurmit mehrstufigen Aufbereitungsverfahrenmöglich. Auch einwertige Ionen wie Natrium,Chlorid und Nitrat werden weitgehendeliminiert. Damit die Nichtkarbonathärtezurückgewonnen werden kann, ist die Dosierungvon Kalziumchlorid oder Kalziumsulfatwichtig.lAusblickFür Brauwasser kann eine Aufhärtungwünschenswert sein: so mit Rohwasser.Mittels der im Wasser befindlichen freienKohlensäure könnte mit gesättigtem Kalkwassereine gewisse Karbonathärte aufgebautwerden. Meist wird jedoch Kalziumchloridoder Kalziumsulfat zugesetzt unddamit die Nichtkarbonathärte und mit ihrder Kalziumgehalt eines Wassers aufgebaut.Das letztlich angestrebte günstige Brauwasserlässt sich durch einen Verschnittmit Rohwasser plus Zugabe von Kalziumchloridbzw. Gips erzielen. In einem zweitenTeil dieser Artikelserie wird die Brauwasseraufbereitungan einem praxisnahenBeispiel beschriebenwerden,und zwar durchden Einsatz vonUmkehrosmoseanlagenin der KönigLudwig Schlossbrauerei.■hoher Gehalt an Hydrogenkarbonatund hoheRestalkalitätDortmunderlLiteratur1. Heyse, K.-U.: Handbuch der Brauerei-Praxis, 3. verb. u. erw. Aufl. (1995), VerlagHans Carl, Nürnberg, 1995.2. Heyse, K.-U.: Praxishandbuch der Brauerei,7. Aufl., Hamburg: Behr’s Verlag,2002.3. Schuster; Weinfurtner; Narziß: DieBierbrauerei: Die Technologie der Würzebereitung:Bd. II. Verlag: Wiley-VCHVerlag; Auflage: 7., durchges. u. erw. A.(April 2009).4. Nörpel, C.: „Elektrodiarese“, BRAUWELT122 (1982), S. 1615-1616.5. Narziß, L.; Back, W.: Die Bierbrauerei:Band 2: Die Technologie der Würzebereitung,Wiley-VCH Verlag; 8. überarb. underg. Auflage, 2009.6. Marquardt, K.: „Umgekehrte Osmose– Ein neues Verfahren zur Brau- undGetränkewasseraufbereitung“, BRAU-WELT 117 (1977), S. 1033-1040.7. Marquardt, K., Zeitschrift für praktischeEnergietechnik, 32. Jahrgang, 1980,S. 329.BRAUWELT | NR. 18-19 (2013) 537