2.1.3. Вода

2.1.3.1. Состав воды. Обычная вода, применяемая в производстве, содержит некоторое количество солей, что объясняется естественным круговоротом воды в природе. Вид и количество солей зависят в основном от геологических и химических свойств грунтов, через которые фильтруется вода, но в воду могут попадать и иные вещества и микроорганизмы. Проходя через коренные горные породы с небольшим количеством водорастворимых солей, вода поглощает незначительное количество солей, зато обогащается свободным CO₂, который может действовать агрессивно. В осадочных (известняковых, доломитовых) породах вода, напротив, обогащается значительным количеством солей, особенно под влиянием диоксида углерода из поверхностных слоев грунта. Соли, присутствующие в воде, частично взаимодействуют с веществами солода и сусла, влияя при этом на ферментативные процессы. Эти реакции зависят от вида и концентрации солей, от состава солода и от условий процесса пивоварения.

Содержащиеся в производственной воде соли относительно сильно разбавлены, вследствие чего они всегда глубоко диссоциированы, в связи с чем целесообразно учитывать влияние катионов и анионов на процесс приготовления пива. К основным ионам, присутствующим в природной воде, относятся катионы H⁺, Na⁺, K⁺, NH₄⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, Fe²⁺ и Fe³⁺, Al³⁺, а также анионы (ОН^-), Cl^-, HCO₃^-, CO₃^2-, NO₃^-, NO₂^-, SO₄^2-, PO₄^3-, SiO₃^2-. Катионы и анионы находятся в равновесии.

Чаще всего в воде присутствуют ионы кальция, гидрокарбонатионы и ионы магния (их состав непостоянен); ионы калия встречаются редко. Содержание ионов кремниевой кислоты редко бывает более 15-30 мг/л, за исключением вулканических районов, где, однако, присутствует и сода. Содержание ионов железа в количестве более 1 мг/л не допускается. Нитратионы присутствуют в любой воде, и их содержание более 30 мг/л нежелательно, так как дрожжи редуцируют нитраты до летальных для дрожжей нитритов. В бедной солями воде даже низкое содержание нитрата может являться отрицательным фактором. Наличие ионов железа, а также аммония и фосфатов свидетельствуют о фекальном загрязнении воды. Кроме указанных ионов в технологической воде содержится определенное количество органических веществ, которые, хотя и являются технологически безопасными, могут отрицательно сказываться на вкусовых характеристиках воды.

Наряду с бикарбонатными ионами в воде зачастую содержится и недиссоциированный диоксид углерода. Для длительного удержания бикарбонатов в растворе требуется определенное количество свободного диоксида углерода; кроме того, если в воде присутствует CO₂, она является агрессивной, то есть обладает коррозионными свойствами.

2.1.3.2. Жесткость воды является количественным отражением состава химически активных солей воды. Немецкий градус жесткости (°dH) соответствует 10 мг СаСО₃/л. Общая жесткость включает все соли кальция и магния угольной, серной и других кислот и может колебаться от 1 до 30 °dH и даже выше. Вода с жесткостью 8-12 °dH является водой средней жесткости, менее 8 °dН - мягкой, а более 12 °dН - жесткой, однако показатель общей жесткости недостаточен для технологической классификации воды. Следует различать карбонатную жесткость, которая обусловливается присутствием в воде гидрокарбонатов кальция и магния, и некарбонатную жесткость, которая зависит от присутствия в воде солей кальция и магния серной, азотной и соляной кислот. По показателям общей жесткости, карбонатной и некарбонатной жесткости различают различные типы пивоваренной воды: если преобладает карбонатная жесткость, то говорят о «карбонатной» воде, при преобладании солей серной кислоты - о «сульфатной» воде и т. д. Основные типы пива можно соответственно соотнести с пивоваренной водой совершенно конкретного состава.

Так, например, жесткость мюнхенской воды для пивоварения почти исключительно обусловлена наличием карбонатов, дортмундская вода характеризуется преобладанием некарбонатной жесткости, вызванной наличием сульфатных ионов при достаточном содержании карбонатов. Пльзеньская пивоваренная вода, напротив, крайне бедна солями и является мягкой (см. табл. 2.1).

Таблица 2.1. Жесткость некоторых типов воды

Показатель	Мюнхенская вода	Дортмундская вода	Пльзеньская вода
Общая жесткость, °dH	14,8	41,3	1,6
Карбонатная жесткость, °dH	14,2	16,8	1,3
Некарбонатная жесткость, °dH	0,6	24,5	0,3
Кальциевая жесткость, °dH	10,6	36,7	1,0
Магниевая жесткость, °dH	4,2	4,6	0,6
Остаточная щелочность, °dH	10,6	5,7	0,9
Сухой остаток, мг/л	284	1110	50

Воду, встречающуюся в природе, подразделяют на подземную (родниковую), грунтовую и поверхностную (из водохранилищ, рек и озер).

2.1.3.3. Действие ионов воды. Ионный состав производственной воды влияет на все процессы приготовления сусла и пива. В пивоварении следует различать следующие реакции:

• взаимодействие ионов воды с растворимыми веществами солода;

• воздействие ионов воды на ферменты;

• влияние ионов воды на важные для технологии составные части хмеля.

В первую очередь речь идет о влиянии ионов воды на компоненты солода и хмеля, на значение pH затора и сусла, а также на вкус пива. Наряду с химически нейтральными ионами необходимо различать ионы, повышающие и понижающие значение pH. Ионы, повышающие значение pH, - это исключительно гидрокарбонатные ионы, взаимодействующие с Н⁺-ионами, например, при нагревании или химических реакциях с высвобождением CO₂:

HCO₃- + H⁺ → H₂O + CO₂.

Ионами, повышающими значение pH, являются Ca²⁺ и Mg²⁺, причем эффективность последнего вдвое меньше, чем Ca²⁺:

3 Ca²⁺ + 2 HPO₄^2- < = > Ca₃(PO₄)₂ + 2 H⁺.

При реакции гидрокарбоната кальция с однозамещенным кислым фосфатом калия (KH₂PO₄) образуется растворимый двухзамещенный фосфат калия, снижающий значение ρ H затора:

2 KH₂PO₄ + Ca(HCO₃)₂ <=>СаНРО₄ + + K₂HPO₄ + 2 H₂O + 2 CO₂.

Образующийся при этом фосфат кальция нерастворим и выпадает в осадок вместе с трехзамещенным фосфатом кальция, образующимся при большом содержании гидрокарбоната кальция.

Взаимодействие гидрокарбоната магния с фосфатами протекает аналогично за тем исключением, что двухзамещенный фосфат магния, имеющий щелочные свойства, остается в растворе и снижает значение pH затора.

Гидрокарбонат натрия еще в большей степени нейтрализует кислотность, поскольку при его взаимодействии с фосфатами сусла образуются только растворимые продукты реакции, которые остаются в сусле.

Щелочность воды обусловлена в основном концентрацией содержащихся в ней гидрокарбопатных ионов и при условии отсутствия щелочных карбонатов (например, соды) общая щелочность является мерой карбонатной жесткости воды. Действие гидрокарбонатных ионов компенсируется ионами Ca²⁺. Чтобы получить представление об этом с учетом действия ионов, уменьшающих или увеличивающих кислотность, рассчитывается остаточная щелочность по Кольбаху. Компенсированная кальцием и магнием щелочность рассчитывается по «показателю кальция», равному кальциевой жесткости + ¹/₂ магниевой жесткости, который делится затем на 3,5 (для нейтрализации щелочности эквивалента гидрокарбоната требуется примерно 3,5 эквивалента кальция). Таким образом, остаточная щелочность равна общей щелочности минус компенсированная щелочность, или

Остаточная щелочность = Общая щелочность – показатель кальция / 3,5

Вода с остаточной щелочностью, равной 0, имеет такую же кислотность и, следовательно, такое значение pH затора и сусла, что и дистиллированная вода. Подготовка воды с остаточной щелочностью ниже 5 °dН для приготовления светлого пива уже нерентабельна, однако для получения пива Pilsener с выраженным хмелевым вкусом и ароматом требуется еще более низкая остаточная щелочность. Помимо фосфатов с гидрокарбонатными, кальциевыми и магниевыми ионами взаимодействуют органические кислоты и их калийные соли, присутствующие в небольших количествах в сусле. В ходе их реакции с фосфатами фосфат кальция выпадает в осадок, а фосфат магния остается в растворе. Выпадение фосфатов в осадок и снижение содержания в сусле буферных веществ вызывается как гидрокарбонатными, так и щелочноземельными ионами.

Последствия уменьшения кислотности в результате слишком высокой остаточной щелочности могут быть очень важными. Так, например, ферменты при повышенном значении pH действуют хуже, что при расщеплении крахмала проявляется в неблагоприятном влиянии на конечную степень сбраживания, а при расщеплении белка - в ограничении действия эндо- и определенных экзопептидаз, тем самым влияя на снижение растворимости белка. Активность фосфатаз снижается, что при выпадении фосфатов в осадок проявляется в существенном снижении буферности. В этих условиях ослабевает и действие глюканаз, что в свою очередь приводит к замедлению фильтрования. Подавление ферментативной активности может привести к снижению выхода экстракта на 1-3%.

Следствием повышенных значений pH во время кипячения сусла является усиленное выщелачивание из оболочек полифенолов с незначительным индексом полимеризации и ухудшение возможности отделения взвесей. Повышенное содержание дубильных веществ солода и хмеля в таком сусле придает суслу или пиву более темный цвет. Повышенное значение pH сопровождается интенсивным извлечением из хмеля высокомолекулярных горьких соединений (гумулатов), которые могут придавать вкусу пива грубую царапающую горечь. Уменьшение дозировки горьких веществ, рекомендуемое для сусла из воды с высокой остаточной щелочностью, приводит к достижению требуемого уровня горечи, но не обеспечивает нужного качества.

Темный солод характеризуется более высокой степенью растворения, чем светлый. Более низкое значение pH хорошо растворенного солода и кислая реакция меланоидинов при изготовлении темного пива способны до некоторой степени компенсировать без негативных последствий остаточную щелочность в 10 ° с 1 Н .

Уменьшение кислотности проявляется и при брожении: оно замедляется, дрожжи приобретают мажущуюся консистенцию, уменьшается степень сбраживания и ухудшается состав пива вследствие менее полного удаления белка, дубильных веществ и хмелевых смол.

2.1.3.4. Водоподготовка. Чтобы иметь возможность использовать для производства светлого качественного пива и жесткую воду, ее либо декарбонизируют, либо по мере необходимости проводят обессоливание. Для этого существуют следующие методы:

• кипячение производственной воды при нормальном атмосферном или избыточном давлении;

• добавление насыщенного раствора известковой воды в точно установленном количестве;

• декарбонизация или полное обессоливание с помощью ионообменников;

• обессоливание электроосмотическим способом;

• обессоливание методом обратного осмоса.

Кроме того, вредное влияние гидрокарбонатов можно компенсировать путем введения ионов кальция в виде гипса или хлористого кальция. Неблагоприятное действие гидрокарбонатов можно также снизить с помощью кислого солода или сусла с молочнокислыми бактериями.

2.1.3.5. Декарбонизация кипячением полезна лишь при условии преобладания гидрокарбонатной кальциевой жесткости (карбонат магния практически не осаждается), причем следует учитывать, что данный способ является довольно дорогим.

2.1.3.6. Умягчение насыщенным раствором известковой воды получило широкое распространение благодаря простоте, дешевизне и хорошему эффекту умягчения воды. Химические превращения при этом затрагивают свободный диоксид углерода, CaCO₃ и (при достаточной степени щелочности воды, pH > 10) - часть MgCO₃ по следующей схеме:

CO₂+ Ca(OH)₂ → СаСO₃ + H₂O;

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → 2 CaCO₃ + 2 H₂O;

Mg(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃ + MgCO₃ + 2Н₂O;

MgCO₃ + Ca(OH)₂ → CaCO₃ +Mg(OH)₂.

Известь, добавленная в виде известковой воды, после ряда превращений выпадает в осадок в виде CaCO₃. Магний выпадает в осадок только в виде нерастворимого гидроксида магния. Все реакции начинаются уже в холодной воде (10-12 °С). При более низкой температуре процесс замедляется, а при более высокой - ускоряется. Эффект умягчения воды необходимо проверить титрованием, так как даже незначительный избыток свободной щелочи приводит к значительным нарушениям при затирании и дефектам готового пива.

Такое простое умягчение применимо, если магниевая жесткость сырой воды превышает некарбонатную жесткость не более чем на 3°dH. Дополнительное внесение гипса или хлорида кальция способствуют дальнейшему снижению карбонатной жесткости:

Mg CO ₃ + CaSO₄ → CaCO₃ + MgSO₄,

однако эту операцию следует проводить осторожно, так как сульфат магния (MgSO₄, «горькая соль») способен отрицательно повлиять на вкусовые характеристики пива.

Если магниевая жесткость воды превышает указанный предел, то благодаря избытку известковой воды щелочность повышается до значения pH 10,5-11, требующегося для осаждения гидроксида магния (MgCO₃ + Ca(OH)₂ → СаСO₃ + Mg(OH)₂). Эту щелочность снова нейтрализуют после осаждения Mg(OH)₂ путем добавления 35-40 % необработанной воды. Щелочная реакция на фенолфталеин в данном случае (0,2 мл 0,1 н HCl/100 мл воды), как и всегда при декарбонизации известковой водой, не должна превышать половины значения при титровании метилоранжем.

Способ с разведением осуществляется аналогично, но со всем количеством известковой воды сначала смешивается 60 % воды, предназначенной для декарбонизации. После осаждения CaCO₃ и Mg(OH)₂ вода, имеющая сильную щелочную реакцию, нейтрализуется оставшимся количеством сырой воды.

Декарбонизацию известковой водой проводят в простых емкостях или в установках для умягчения воды непрерывного действия, которые дополняют производительным месильным органом. В этом случае более эффективно обрабатывается вода с переменной жесткостью. Установка для умягчения воды непрерывного действия обычно состоит из цилиндрических емкостей с конической нижней частью, реактора (в котором протекает процесс умягчения) и гравийного или песочного фильтра для окончательного осветления воды. Особенно хорошо поддается умягчению вода с низкой карбонатной жесткостью, так как карбонат кальция склонен к медленной флокуляции. Для интенсификации хода реакции в одноступенчатых системах используется контактная масса из мелкозернистого CaCO₃ или кварцевого песка, способствующая задержанию медленно флокулирующего карбоната кальция. Такие установки ускоренной декарбонизации характеризуются более высокой производительностью на единицу площади, чем обычные проточные установки (контактную массу необходимо периодически удалять). Вместе с тем они не позволяют использовать метод разведения, поскольку на контактной массе может образовываться слизь от выпавшего в осадок гидроксида магния. Для непрерывной декарбонизации, как правило, применяют два реактора: в первой емкости благодаря передозировке известковой воды происходит выпадение в осадок гидроксида магния, а во второй, так называемой «ступени облагораживания», - нейтрализация щелочной воды необработанной водой. В зависимости от свойств воды, турбулентности при ее подаче и продолжительности реакции достигается более или менее существенный эффект умягчения, в целом удовлетворительный. При соответствующем изменении конструкции обе реакционные ступени можно объединить в одной емкости.

В случае повышенного содержания гидрокарбоната магния в двухступенчатую умягчающую установку параллельно подключается слабокислотный ионообменник, позволяющий обрабатывать воду с повышенной щелочностью.

2.1.3.7. Ионообменники служат для декарбонизации воды, богатой магнием, или обессоливания очень жесткой воды. По сравнению с установками для декарбонизации известью ионообменники имеют гораздо меньшие размеры и поэтому их все чаще используют для водоподготовки.

Иониты - это вещества (обычно искусственные смолы), которые присоединяют содержащиеся в растворе электролита положительные или отрицательные ионы (катионы и анионы соответственно), а взамен отдают эквивалентное количество других ионов с тем же зарядом. В зависимости от знака заряда ионов различают катионо- и анионообменники. Применяемые в настоящее время иониты изготавливаются из так называемых гельсмол, матрица которых представляет собой образованный с помощью валентных связей и сил связи решетки каркас, состоящий из нерегулярных высокомолекулярных углеводородов, образующих объемную сеть. Свойства ионитов зависят от величины этих молекул, от числа поперечных связей от количества и вида функциональных групп, которые могут иметь положительный или отрицательный избыточный заряд, нейтрализующийся ионами противоположного знака.

Катиониты имеют матрицу из полимерных смол на основе акрила или стирола. В зависимости от диссоциации функциональных групп могут быть «слабокислыми» или «сильнокислыми». Первые способны обменивать преимущественно ионы кальция и магния, входящие в состав гидрокарбонатов, на ионы водорода, и поэтому их можно использовать для простой декарбонизации воды. Сильнокислые иониты, наоборот, обменивают ионы Ca²⁺, Mg²⁺ и Na⁺, входящие в состав гидрокарбонатов, а также сульфатов, хлоридов и нитратов (то есть входящие в состав солей сильных кислот) на ионы H⁺.

Аниониты имеют матрицу из эпоксидных конденсационных и других смол со «слабоосновной» или «сильноосновной» реакцией. Первые обменивают анионы сильных кислот (SO₄²⁺, Cl^-, NO₃ ^- ) на гидроксильные или хлоридионы, а сильноосновные аниониты способны связывать также анионы очень слабых кислот, например, угольной или кремниевой.

Процесс обмена обратим. Использованный ионит может регенерироваться раствором, содержащим соответствующие ионы: катионит - соляной кислотой, а анионит, в зависимости от того, какой ион участвовал в обмене (ОН^-, Cl^-), - едким натром или поваренной солью. Эти реагенты применяются для регенерации обычно в виде 3-8 %-ного раствора.

Ионит должен быть совершенно нерастворим и не отдавать воде никаких веществ с запахом и вкусом. Производительность ионообменника на 1 л ионита составляет 20-50 мг CaO, и по ней рассчитывают размер требуемой реакционной емкости в зависимости от необходимой производительности.

Реакция в ионообмениике проходит следующим образом.

А) слабокислый обмен:

А < ^Н + Ca(HCO₃)₂ - >А < Ca + 2 CO₂ + 2 H₂O. H

Сходные реакции имеют место и в случае гидрокарбоната магния. Ионы кальция и магния, входящие в состав гидрокарбонатов, почти полностью обмениваются на ионы водорода. Катионы, обусловливающие некарбонатную жесткость, сохраняются, и по этой причине декарбонизация достигает своего предела, если остаточная магниевая жесткость выше 5 °dH.

Выделившийся CO₂ агрессивен, и его необходимо удалять. На крупных установках удаление CO₂ осуществляется с помощью орошения и аэрирования воды. Небольшое количество остаточного диоксида углерода (около 10 мг/л) можно нейтрализовать насыщенной известковой водой или мраморными фильтрами (при этом карбонатная жесткость увеличивается на 0,6 или 1,2 °dH). Возможно также смешивание с необработанной водой после орошения, однако в этом случае необходимо точно рассчитать количество CO₂ в необработанной воде. Б) Сильнокислый обмен:

А < ^H_H ⁺ CaSO ₄ → A < Са + H₂ SO₄ .

В данном случае удаляются ионы натрия гидрокарбонатной жесткости. Также реагируют MgSO₄, CaCl₂, MgCl₂, NaCl, Na₂SO₄, NaNO₃ и т. д. В качестве продуктов обмена образуются свободные неорганические кислоты, которые необходимо нейтрализовать. Для этого применяют либо смешивание с необработанной водой, которое возможно только при некарбонатной жесткости менее 5 °dH (для поддержания магниевой жесткости чистой воды на низком уровне), либо нейтрализацию насыщенной известковой водой. При этом все некарбонаты переходят в форму кальциевых солей, но некарбонатная жесткость полностью сохраняется. Таким способом декарбони-зируют воду, некарбонатная жесткость которой составляет 12-15 °dH. Кроме того, иногда пользуются третьей возможностью нейтрализации свободных неорганических кислот, а именно анионным обменом, уменьшающим некарбонатную жесткость воды.

В) Анионный обмен:

А < ^OH_OH+ H₂SO₄ → А < SO₄ + 2 H₂O.

Таким образом, можно осуществить практически полное обессоливание воды, но для обработки пивоваренной воды этого не только не требуется, но и нежелательно. Необходимая жесткость может быть достигнута путем смешивания с необработанной водой. При наличии нитратов, как правило, бывает достаточно параллельно подсоединенного анионообменника, что может быть реализовано двумя способами:

А - ОН + HNO₃ → А - NO₃ + H₂O; А - Cl + NaNO₃ → А - NO₃ + NaCl.

В последнем случае отпадает необходимость в предшествующем катион ном обмене. Так как концентрация хлора в воде не должна превышать 100 мг/л из-за опасности коррозии, то хлоридные обменники можно использовать с большими оговорками.

Относительно недавно стали применяться так называемые нитратоспецифичные ионообменники, то есть анионные обменники, регенерируемые с помощью соляной кислоты (полученной, например, при регенерации сильнокислого катионного обмена) и дополнительно с помощью серной кислоты. При регенерации с требуемым соотношением в воде хлоридных и сульфатных ионов, нитратные ионы заменяются на Cl^- и SO₄^2- . Образующиеся свободные неорганические кислоты должны затем нейтрализоваться насыщенной известковой водой, так что некарбонатная жесткость представлена солями кальция. Содержание нитрата в воде можно снизить примерно до 3-5 мг/л (в зависимости от необходимого количества известковой воды, с которой снова вносится нитрат). Вода сохраняет свою первоначальную некарбонатную жесткость, которая увеличивается на соответствующую долю нитрата.

Дозу хлорида или сульфата кальция, необходимую при полном обессоливании, при этом можно уменьшить или даже полностью исключить. Полное обессоливание, полученное при использовании катионо- и анионообменников, позволяет проводить такую водоподготовку, после которой вода считалась бы прежде непригодной для производства пива.

В целях экономии реагентов часто перед сильнокислотным ионообменником подключают слабокислотный.

Для увеличения производительности установки или для улучшения достигаемого эффекта умягчения установку для декарбонизации известью комбинируют со слабокислотным ионообменником.

При регенерации истощенного ионита наблюдаются процессы, обратные процессам обмена:

в катнонитовых иоиообменниках:

А < Ca + 2НС1 -»А < ^H_H + CaCl₂;

в анионитовых иоиообменниках:

OH А < SO₄ + 2NaOH → А< OH +Na₂SO₄.

Образовавшиеся растворимые соли удаляют путем промывки ионообменника. Расход реагентов для регенерации зависит от диссоциации ионита. Так, например, слабокислотный ионообменник поглощает 105 % от теоретически определенного количества реагента, а сильнокислотный - 250 %. Если проводить регенерацию не прямоточным, а более эффективном противоточным способом, то расход химикатов можно снизить до 140 %, а при комбинированном использовании слабо- и сильнокислого ионооб-менников - даже до 110%. Можно также существенно сократить количество промывной воды. В анионообменниках требуется расход химикатов, соответствующий степени диссоциации.

Образующиеся при регенерации кислые и щелочные воды следует нейтрализовать в заводских очистных установках. Ионообменники (включая регенерацию) можно эксплуатировать в автоматическом режиме.

2.1.3.8. Еще один способ полного обессоливания предоставляет электроосмос. Под действием постоянного тока ионы солей воды перемещаются в зависимости от знака заряда к катоду или аноду, которые отделены от воды, предназначенной для обессоливания, проницаемыми для ионов мембранами. Ионы, накапливающиеся на электродах, удаляют путем промывки необработанной водой. Обессоливание необработанной воды, находящейся между обеими мембранами, идет тем сильнее, чем продолжительнее действие электрического тока. Таким образом, из воды можно полностью удалить все электролиты (за исключением кремниевой кислоты).

Катоды изготавливают из железа, цинка или олова, а анод - из магнетита. Мембраны выполнены из вулканизированной резины или хромжелатина. Производительность установок можно подобрать путем последовательного подключения нескольких элементов. Затраты на данный способ определяются в основном стоимостью потребляемой электроэнергии (в зависимости от жесткости необработанной и очищенной воды она составляет 15-45 кВт ч/м³). Целесообразным считается проведение предварительной декарбонизации.

2.1.3.9. Обратный осмос. При обратном осмосе у двух растворов различной концентрации, разделенных полупроницаемой мембраной, наблюдается стремление к выравниванию концентраций. При этом происходит переход растворителя с меньшей концентрацией через мембрану в раствор с более высокой концентрацией до тех пор, пока содержание солей в обоих растворах не сравняется. Необходимое для этого осмотическое давление зависит от разницы концентрации обоих растворов. При обратном осмосе со стороны концентрированного раствора (концентрата) создается давление, которое превышает осмотическое, и чистая вода (пермеат) диффундирует через полупроницаемую мембрану. Таким образом, это осмос наоборот. Наряду с ионами при обратном осмосе могут задерживаться также органические вещества. При технической реализации обратного осмоса обрабатываемую воду предварительно очищают с помощью фильтра тонкой очистки и затем доставляют насосом высокого давления на осмотическую мембрану (модуль) из полиамидных полых волокон. Рабочее давление составляет 28 бар. Пермеат проникает через мембрану, а концентрат отводится. Для повышения производительности воду подогревают; при добавлении серной кислоты часть гидрокарбонатов переходит в сульфаты, а высвобождающийся CO₂ удаляют в оросителе. Во избежание осаждения в концентрате солей жесткости можно добавлять фосфат, который задерживается мембраной. Если требуется получить пермеат с низким содержанием солей, то его выход составит около 75 %; при выходе пермеата в 90 % неизбежно более высокое содержание в нем солей, составляющее около 10%, что для большинства типов воды и может считаться приемлемым. Концентрат можно использовать в качестве промывной воды, а также (после карбонизации и обеззараживания) - в качестве столовой воды (благодаря содержащимся в нем солям). К производственным затратам относится в основном стоимость электроэнергии (1,5-2,5 Вт · ч/м³) и расходы на химикаты для кондиционирования.

2.1.3.10. Прочие методы

Добавка хлорида кальция или гипса позволяет компенсировать кислотопонижающие свойства бикарбонатов. Гипс, например, превращает вторичные фосфаты со щелочной реакцией в первичные с кислотной реакцией, в то время как третичные щелочные фосфаты осаждаются:

4 K₂HPO₄ + 3 CaSO₄ → Ca₃(PO₄)₂ + + 2 KH₂PO₄ + 3 K₂SO₄.

Хотя при этом кислотность затора улучшается, следует отметить потерю фосфатов. Образовавшийся сульфат калия характеризуется неприятным вкусом, и слишком больших добавок гипса (более 30 г/гл) следует избегать. Хлорид кальция оказывает более благоприятное действие на вкусовые характеристики, придавая пиву полноценный мягкий иногда несколько солоноватый вкус, тогда как гипс придает пиву немного «суховатый» характер. Добавка этих солей в декарбонизированную пивоваренную воду вполне допустима. Отношение карбонатной жесткости к некарбонатной 1 : 2,5 улучшает вкус пива, а при их отношении 1 : 3,5 цвет пива светлеет.

Аналогичные результаты можно получить с помощью нейтрализации бикарбонатов неорганическими кислотами. При этом способе (запрещенном в Германии) используют соляную, серную, фосфорную и молочную кислоты. Общая жесткость воды не меняется, лишь карбонатная жесткость смещается в сторону гидрокарбонатой. Соотношение карбонатной и гидрокарбонатной жесткости должно составлять 1 : 2-2,5. Так как следствием применения такого способа является высвобождение диоксида углерода, вода становится более агрессивной, что следует учитывать при ее хранении и предварительном нагревании.

Наряду с этими способами умягчения воды может понадобиться удаление вредных ионов, например, железа, марганца, кремниевой кислоты или агрессивного диоксида углерода.

Железо и марганец в количестве более 1 мг/л негативно влияют на вкус и цвет пива, причем от отложений окислов этих металлов может пострадать водопроводная сеть. Оба металла удаляют с помощью аэрации и последующей фильтрации воды. Железо и марганец можно осаждать при декарбонизации известью вместе с выпадающими в осадок солями жесткости; для ионообменников и мембран обратного осмоса, напротив, требуется предварительное обезжелезивание воды.

Декарбонизации воды иногда препятствует кремниевая кислота в коллоидной форме, которую можно перевести в осадок при помощи коагулянтов (флокулянтов). Удаление ионов SiO₃^2- с помощью сильноосновных ионообменников обходится довольно дорого.

Агрессивный CO₂ удаляют способами аэрирования и орошения через мраморный фильтр, доводя остаточное содержание СО, до 6-10 мг/л. Полностью он удаляется только с помощью декарбонизации известью.

Если запах или вкус необработанной воды не идеален, то для фильтрования рекомендуется использовать фильтр из активированного угля и предварительное аэрирование (при необходимости). При помощи угольного фильтра можно также уменьшить содержание или полностью удалить вещества, загрязняющие окружающую среду, в частности, так называемые галоформы.

К установке для полного умягчения воды рекомендуется подключить фильтр из активированного угля, однако он должен предназначаться не для осветления воды, а служить лишь элементом безопасности. Такой фильтр рекомендуется также для полного удаления из воды поглощенных оснований.

Для биологического исправления пивоваренной воды применяют хлор (в виде газообразного хлора или гипохлорита), озонирование, ионы серебра, обеззараживание ультрафиолетовым излучением или обеспложивающее фильтрование. Перед подачей на ионообменники хлорированную воду предварительно следует пропустить через фильтр из активированного угля. При обратном осмосе свободный хлор необходимо связать химически, при этом продукт реакции удерживается мембраной.

2.1.3.11. Декарбонизация или обессоливание пивоваренной воды оказывает положительный эффект при производстве светлого пива. Результатом снижения значения pH при затирании и кипячении сусла является повышение конечной степени сбраживания, улучшение показателей расщепления белка, ускорение фильтрования, более эффективное выпадение белка в осадок при кипячении сусла, увеличение выхода и более высокая степень сбраживания, а также более светлый цвет пива и мягкая хмелевая горечь. Из-за этого может потребоваться увеличение внесения в сусло хмелепродуктов. Интересно, что значение pH пива изменяется иначе. Благодаря более эффективному действию фосфатаз при затирании в сочетании с пониженным осаждением фосфатов у сусла отмечается повышенная буферность, которая оказывает противодействие снижению значения pH в процессе брожения.

Чтобы несколько ограничить буферность сусла и тем самым получить более благоприятные значения pH пива, целесообразным оказывается введение гипса или хлорида кальция и, как уже упомянуто, доведение соотношения карбонатной и некарбонатной жесткости до 1 : 2-2,5.

Другой возможностью является подкисление затора или сусла. В Германии разрешается применять только кислый солод (см. раздел 1.9.3.5) или подкисленное сусло, которые получают биологическим путем с помощью молочнокислых бактерий, присутствующих на солоде. Кислый солод затирают в количестве 3 - 6 % от засыпи солода. Полученное при этом снижение pH затора дает те же преимущества, что и декарбонизация пивоваренной воды, однако даже у мягкой воды достигается более благоприятное влияние на процессы затирания. Тем не менее и в данном случае улучшение буферизации противодействует требуемому снижению значения pH, что зачастую проявляется в несколько более «остром» вкусе пива. Наилучшим решением представляется сочетание подкисления затора и сусла, причем последнее па небольших предприятиях можно также осуществить при помощи солодовой вытяжки.

2.1.3.12. Биологическое подкисление происходит под действием присутствующих на солоде молочнокислых бактерий, которые за несколько циклов при оптимальных условиях выделяют специфические штаммы, например Lactobacillus amylovorus. Для снижения значения pH сусла на 0,1 требуется 580 г молочной кислоты/т засыпи (10 г/л), для солода - 290 г молочной кислоты/т засыпи (5 г/л). При пересчете на концентрацию молочной кислоты 0,8% и снижение pH на 0,3 это составляет 1,81 л/гл сусла.

Подкисление происходит следующим образом: неохмелеииое сусло с массовой долей CB 10 % засевают культурой этих бактерий. Через 24 ч при температуре 47-48 °С содержание молочной кислоты достигает 0,7-0,8 %, а еще через 8-12 ч - своего предельного значения (1 %). С точки зрения способности к размножению молочнокислых бактерий целесообразно поддерживать концентрацию кислоты на уровне до 0,4 % путем отбора кислого и последующего добавления свежего сусла. При концентрации молочной кислоты 0,7 % это соответствует отбору 50 % от общего объема. После добавления свежего сусла содержание молочной кислоты снова оказывается ниже 0,4 %, и уже через 9 - 1 0 ч содержание молочной кислоты снова достигает 0,7-0,8 %. Поэтому из одной емкости из нержавеющей стали с термостатическим обогревом молочную кислоту можно отбирать дважды в день, и для двух варок в сутки требуется лишь одна емкость.

При понижении pH сусла на 0,1 количество молочной кислоты, необходимое для одной варки, составляет 0,5 % от общего объема. 20-25 % из этого количества вносят в затор в начале затирания, а остаток - в конце варки сусла в виде добавки.

При 8 варках в сутки для подкисления затора и сусла требуется реактор объемом 25 гл/т засыпи (или 17 гл/т засыпи при подкислении только сусла). Правда, требуется еще один накопительный танк для молочной кислоты примерно такого же объема, из которого после того как молочная кислота достигнет концентрации около 1 %, сливается сусло, подкисленное молочной кислотой. Отобранное количество затем вновь добавляют к суслу из текущей варки, при этом можно получить концентрацию молочной кислоты около 0,3 % или скачок pH до значения 4,0. В накопительном танке продолжается процесс образования кислоты, которая достигает концентрации 1,3-2,0 % в зависимости от экстрактивности (неохмеленной) закваски. Во время перерывов, например с конца недели варки до начала следующей недели концентрацию молочной кислоты необходимо снова понизить примерно до 0,3 %, а при достижении значения 0,6-0,7 % - охладить ниже 30 °С. Во избежание контаминации микроорганизмами рода Candida и другими вредными для сусла микроорганизмами в ходе всего процесса биологического размножения подкисляющих микроорганизмов используют окуривание CO₂.

Улучшение образования ферментов при затирании позволяет существенно сократить процесс затирания, а низкое значение pH при кипячении сусла способствует лучшему осаждению белков, активизации брожения, а также получению очень светлого, стабильного, пеностойкого пива с мягким вкусом. Технология затирания при этом характеризуется простотой и безопасностью (при условии поддержания требуемого температурного режима).