Исправление состава вод, 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.

Только в последние годы в пивоварении стали применять методы обессоливания воды ионообменниками, 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.

В настоящее время 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:

Ca(HCO₃)₂=CaCO₃+H₂O+CO₂;

Mg(HCO₃)₂=MgCO₃+H₂O+CO₂.

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:

Ca(HCO₃)₂+Ca(OH)₂=2CaCO₃+2H₂O;

Mg(HCO₃)₂+Ca(OH)₂=2MgCO₃ + 2H₂O.

Одновременно связывается также свободная окись углерода CO₂+Ca(OH)2=CaCO₃+H₂O.

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, седиментирующий 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

Mg(HCO₃)₂+2Ca(OH)₂=Mg(OH)₂+CaCO₃.

Один из методов, использующий эту реакцию, в зарубежной литературе называется методом Splittreatment. Он состоит в том, что вся доза извести добавляется сначала к ²/₃ обрабатываемой воды и только через час подается остаток исходной воды. Таким образом, надежно устраняется хотя бы ²/₃ исходной магниевой жесткости.

В практике вода, расходуемая на варку пива, декарбонизуется 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 MgO.

Если обозначить временную жесткость К, магниевую жесткость Mg и содержание свободной двуокиси углерода С, то доза извести для устранения временной жесткости воды рассчитывается по уравнению

а) г CaO/м³=10(K+Mg+C),

если вместо K, Mg и C подставить величины в немецких градусах (°Н), т. е. K = 2,8 м, Mg=мг MgO/л/10•1,4 и С=мг CO₂/л/10•1,27;

б) г CaO/м³ = 28 (К + Mg+C),

если вместо К, Mg и С подставить величины в мг-экв/л.

Известь добавляют чаще всего в виде известкового молока или насыщенной известковой воды, изредка в порошке. Содержание активного CaO определяют титрованием 0,1 н. раствора HCl по метиловому оранжевому. Если вместо CaO имеется Ca(OH)г, то количество CaO рассчитывают путем увеличения в соотношении 56/64.

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 (m) и кроме того по фенолфталеину (f). При правильной дозировке извести 2f=m. Если же 2f>m, то избыток извести и дозу следует уменьшить, если же 2f<m, то недостаток извести и дозу следует увеличить. Хорошо декарбонизованная вода имеет временную жесткость около 3°Н. Ее m не должно быть выше, чем 1 мл 0,1 н раствора HCl на 100 мл=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. Ca(HCO₃)₂, образующийся в результате реакции, устраняется известью. Для такой обработки действительны следующие уравнения:

2NaHCO₃+CaCl₂=Ca(HCO₃)₂+2NaCl;

Ca(CO₃)₂+Ca(OH)₂=2CaCO₃+2H₂O.

Вместо NaHCO₃ обработанная вода содержит эквивалентную долю хлорида натрия NaCl.

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:

Ca(HCO₃)₂+H₂SO₄=CaSO₄+2H₂O+2CO₂.

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 ²/₃ 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. В ЧССР, например, без получения в исключительных случаях специального разрешения можно применять только пищевую молочную кислоту.

С другой стороны, применение кислот удобно тем, что при этом выделяются щелочные бикарбонаты, которые устраняются с помощью хлорида кальция.

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.

^* (По английскому пивоваренному заводу Burton-on-Trent, воды которого имеют высокий процент гипса (SO^2-₄ 907 мг/л).)

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 сульфогруппы HSO₃, в этом случае они имеют кислые свойства и задерживают катионы путем замены на ионы H⁺ (H-смолы-катиониты), или аминогруппы NH₂, тогда они имеют основные свойства и задерживают анионы, заменяя их на ионы OH^-(OH^--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:

Ca(HCO₃)₂+H₂-смолы=H₂O+CO₂+Ca-смола;

CaSO₄+H₂-смола=H₂SO₄+Ca-смола.

После прохождения через катионит вода содержит свободные кислоты, соответствующие анионам, имеющимся в исходной воде.

В следующем фильтре с анионитом протекает следующая реакция:

2H₂SO₄+(OH)₂-смола=SO₄-смола+2H₂O.

После фильтрации вода, как правило, имеет слабощелочную реакцию и очень редко слабокислую. 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 (НСl), а основные - 2%-ным или 4%-ным раствором едкого натра (NaOH). После слива избытка реагентов и прополаскивания водой фильтры можно снова 80 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.

отпечатки мобильных устройств в антидетект