Steun deze site. Koop via deze links: Nederlandstalige bierboeken, Engelstalige bierboeken, een bierig artikel of een ander artikel van Bol.com
Het kost je niets extra.

koken & tafelen algemeen

 

 

 

 

mail info@hobbybrouwen.nl

Water, deel 2

In dit deel van deze artikelenserie over water wordt allereerst ingegaan op het vaststellen van de pH-waarde van het brouwwater en beslag. Verder wordt uitgebreid ingegaan op de verschillende soorten van waterhardheid, de hardheidsgraden en onthardingswijzen. Veel misverstanden over de betekenis van de hardheid van water voor het brouwproces worden uit de wereld geholpen. Tenslotte wordt diepgaand stil gestaan bij de verschillende ionen die in het water aanwezig kunnen zijn.

 

pH-controle

Het eerste deel van deze serie over brouwwater sloot ik af met een uitleg over de betekenis van de pH-waarde. Het brouwen bij een juiste pH-waarde (tussen de 5,3 en 5,5) heeft een zeer gunstige invloed op de kwaliteit van een zelfgebrouwen bier. De pH die een beslag krijgt zonder dat er gecorrigeerd wordt is afhankelijk van de gestorte moutsoorten en de samenstelling van het brouwwater. Hierover kun je meer lezen verderop in dit artikel.
Omdat wij amateur-brouwers bijna nooit hetzelfde bier brouwen en steeds andere ingrediënten gebruiken mogen we, als we een keer de pH hebben gemeten, er niet op vertrouwen dat de gemeten waarde ook behaald wordt bij het volgende brouwsel. We moeten bij elk brouwsel de pH van het beslag controleren. Hiervoor kunnen we pH-papiertjes of eenvoudige pH-meters gebruiken. Gezien de hiervoor genoemde marges is het namelijk niet noodzakelijk om op honderdsten precies de pH te weten en te corrigeren.

pH-papier
Als je kiest voor pH-papiertjes koop dan wel indicatiepapier met de grootst mogelijke nauwkeurigheid. De strips met de indicatiekleur in het midden tussen de vergelijkingskleuren zijn het handigst. De kleur van het wort heeft bij deze strips geen invloed op de bepaling van de pH-waarde. Bij het pH-papier waarbij de vergelijkingskleuren op de verpakking zijn afgedrukt kan er een vertekend beeld ontstaan als je een donker bier brouwt.

pH-meter
Kleurproblemen zul je nooit hebben als je een electronische pH-meter gebruikt. Wel zul je regelmatig moeten controleren of de meter de juiste waarde aangeeft. Daarvoor zijn in de handel speciale oplossingen met een gekende pH-waarde die een sterke bufferende werking hebben. Door de sterke bufferende werking blijft de pH-waarde van de oplossing gehandhaafd. Het is zaak het buffer zo veel mogelijk in stand te laten. Als je de pH-meter gaat ijken, of kalibreren zoals dat ook wel genoemd wordt, doe je er goed aan de elektrode even af te spoelen met gedemineraliseerd water. Als je dergelijk water niet bij de hand hebt spoel dan de elektrode met leidingwater af maar vergeet dan niet om het aanhangend water op te nemen met wat tissue-papier voordat je de elektrode in de bufferoplossing dompelt. De zouten uit het leidingwater kunnen dan niet het buffer verstoren.
Een ander punt van onderhoud is dat de elektrode het beste bewaard kan worden in een oplossing van 3 mol/l kaliumchloride (KCl). Dit komt neer op 22,5 g KCl / 100 ml. Deze zoutoplossing is qua samenstelling en sterkte gelijk aan de oplossing waarmee de elektrode gevuld is. Door de elektrode in de zoutoplossing te bewaren wordt voorkomen dat deze uitdroogt of leeglekt. Dit leeglekken kan gebeuren als je de elektrode in gewoon leidingwater bewaart.
Een ander punt waar je rekening mee moet houden als je in het bezit bent van een eenvoudige pH-meter is dat deze meters geen juiste pH-waarde aangeven bij een temperatuur boven de 50EC. Ook kan de elektrode bij dergelijke pH-meters bij hoge temperaturen beschadigd raken. Het beste doen we er aan de vloeistof, waarvan we de pH willen weten, af te koelen tot 20EC. De duurdere pH-meters zijn voorzien van een automatische temperatuurscorrectie en kunnen hogere temperaturen aan.
Een pH-meter is een stuk duurder in aanschaf dan een doosje goed pH-papier. Mijn persoonlijke ervaring is dat je door de aanschaf van een pH-meter eerder geneigd bent om de pH te controleren omdat je niet bij elke afzonderlijke bepaling een strookje papier kwijt bent. Per slot van rekening wil je niet als Nederlander (en ik heb begrepen ook veel Belgen) dat de dingen in de papieren lopen. Daarnaast is een pH-bepaling met een pH-meter eenvoudig uit te voeren en is deze vrij nauwkeurig als je tenminste de pH-meter op tijd kalibreert. Eén ding is zeker: mijn bieren werden kwalitatief een stuk beter door de aanschaf van een eenvoudige pH-meter.
 

Waterhardheid

Het begrip hardheid wordt gebruikt om de werking van de zouten in het water weer te geven. De verschillende hardheidsgraden zijn gebaseerd op de hoeveelheid calcium- en magnesiumionen in water. We kennen verschillende hardheidsgraden en soorten hardheid.

Totale hardheid en hardheidsgraden
De som van alle calcium- en magnesiumionen wordt de totale hardheid genoemd. Water met een hoge hardheid heeft een lager 'gebruikscomfort' dan zacht water. Hard water zorgt er voor dat zeep niet goed schuimt en ook niet zo goed werkt. In wasgoed kunnen daardoor 'grauwsluiers' ontstaan. Een andere reden waarom hard water in de regel niet gewaardeerd wordt heeft te maken met de vorming van kalkaanslag op verwarmingselementen en in verwarmingsketels.
De hardheid van water wordt uitgedrukt in mmol/l of in de verschillende hardheidsgraden. In de literatuur vinden we Franse, Duitse, Engelse en Amerikaanse hardheidsgraden. In België is het gebruikelijk de hardheid uit te drukken in Franse graden en in Nederland in Duitse graden. Volgens internationale afspraken hoort de waterhardheid uitgedrukt te worden in mmol/l. Deze eenheid voor hardheid is nog niet echt ingeburgerd, meestal worden nog steeds de oude hardheidsgraden gebruikt. Omdat dit blad wordt uitgegeven in zowel België als Nederland én vanwege de Europese eenwording zal ik in het vervolg steeds de internationaal enige juiste eenheid hanteren. Voor de volledigheid wijs ik er op dat een uitleg van het begrip mol te vinden is in het eerste deel van dit artikel in de vorige uitgave van dit blad.
De volgende tabel geeft een overzicht van de verschillende eenheden en waarden.
 
Omrekeningsfactoren voor waterhardheidgraden
mmol/l Graden Frans Graden Duits Graden Engels Graden Amerikaans
1,0 10,0 5,6 7,0 100
0,1 1,0 0,56 0,7 10
0,18 1,79 1,0 1,25 17,9
0,145 0,8 1,43 1,0 14,3
0,01 0,056 0,1 0,07 1,0

De verschillen tussen de eenheden vloeien voort uit de diverse uitgangspunten voor de eenheden:

  • 1 graad Frans staat gelijk met 1 mg calciumcarbonaat (CaCO3 ) per 100 ml water (1 mol CaCO3 weegt 100 gram);
  • 1 graad Duits staat gelijk met 1 mg calciumoxide (CaO) per 100 ml water (1 mol CaO weegt 56 gram);
  • 1 graad Engels staat gelijk met 1 grain (64,8 mg) CaCO3 per gallon (4,546 liter) water;
  • 1 graad Amerikaans staat gelijk met 1 mg CaCO3 per liter water.
Voor de onderlinge vergelijking tussen de eenheden wordt steeds uitgegaan van dezelfde hoeveelheid calciumionen per volume-eenheid.

Voor de beoordeling van de hardheid van water gaat men uit van de hardheidsschaal van H. Klut uit 1938. De beoordeling is als volgt:
 
Totale hardheid in verschillende hardheidsgraden Beoordeling
mmol/l Graden Frans Graden Duits
0 - 0,7

0,7 - 1,5

1,5 - 2,1

2,1 - 3,2

> 3,2

0 - 7

7 - 15

15 - 21

21 - 32

>32

0 - 4

4 - 8

8 - 12

12 - 18

> 18

zeer zacht

zacht

middelhard

hard

zeer hard

Voor veel biertypes is wat harder water beter

Vaak wordt gedacht dat zacht water altijd het beste brouwresultaat geeft. Dat is absoluut niet het geval. Alleen voor pilseners heb je zeer zacht water nodig. Voor bijna alle bovengistende bieren is wat harder water geen probleem en zelfs gewenst! Zeer zacht water dat zoutarm is leidt tot karakterloze bieren (1).
Volgens prof. Derdelinckx (2) moet goed brouwwater minimaal 75 mg/l calciumionen bevatten. Dit komt neer op een minimale calciumhardheid van 1,88 mmol/l (of wel 18,8E Frans, dan wel 10,5E Duits)! Voor het biertype münchener is heel hard water van 6 mmol/l vereist (3).
Het calciumion is gunstig voor het brouwproces om diverse redenen die ik later bij de behandeling van de verschillende waterionen uit de doeken zal doen. Zoals voor alles geldt ook ten aanzien van calcium dat overdaad schaadt. De maximale hoeveelheid calciumionen in het brouwwater behoort niet hoger te zijn dan 6,25 mmol/l of wel 250 mg/l.
In het derde deel van deze artikelenserie zal ik de vereiste hardheden en watersamenstellingen van bekende biertypes nader bespreken.

Tijdelijke hardheid
De totale hardheid zegt betrekkelijk weinig over de brouweigenschappen van water. Voor ons brouwers is het heel belangrijk te weten wat voor soort calcium- en magnesiumzouten in het water zijn opgelost. Zoals we al in de vorige aflevering van deze serie gezien hebben zorgen calcium- en magnesiumionen voor een pH-daling en zorgen bicarbonaationen voor een stijging van de pH. Als er veel bicarbonaten (HCO3-) in het water aanwezig zijn worden er calciumionen en in mindere mate ook magnesiumionen uit de oplossing onttrokken wanneer de vloeistof verwarmd wordt. Dit verloopt volgens de volgende reactievergelijkingen.

Ca2+ + 2 HCO3- 6 CaCO3 9 + H2O + CO28

Mg2+ + 2 HCO3- 6 MgCO3 9 + H2O + CO28

Dat er meer calcium- dan magnesiumionen aan het water onttrokken worden heeft alles te maken met het verschil in oplosbaarheid van calciumcarbonaat (0,014 g/l) ten opzichte van magnesiumcarbonaat (0,11 g/l).
De hoeveelheid calcium- en magnesiumbicarbonaten wordt de carbonhardheid of de tijdelijke hardheid genoemd. De term tijdelijke hardheid komt voort uit het feit dat de calcium- en magnesiumionen uit de oplossing neerslaan bij het koken. Water met een hoge tijdelijke hardheid kenmerkt zich door het afzetten van veel kalksteen (een mengsel van calcium- en magnesiumcarbonaat) in een fluitketel of koffiezetter.
Voor het goede begrip wijs ik er hier op dat de carbonhardheid nooit groter kan zijn dan de totale hardheid, welke hardheid is gerelateerd aan de calcium- en magnesiumionen. Wel kan de hoeveelheid bicarbonaationen de totale hoeveelheid aan calcium en magnesiumionen overtreffen. Dit kan indien er naast calcium- en magnesiumionen ook een grote hoeveel natriumionen in het water opgelost zijn. Omdat waterhardheid altijd per definitie gerelateerd is aan de calcium- en magnesiumionen wordt een overschot aan bicarbonaten niet gerekend tot de carbonhardheid
Volgens sommige literatuur voor zelfbrouwers zou een half uur intensief koken voldoende zijn om alle calciumbicarbonaat uit de oplossing te koken. Proefnemingen uitgevoerd door mederoerstoklid Wilco Agterhuis leertde dat de reactie wel eens minder volledig verloopt dan wel eens aangenomen wordt. Uit zijn onderzoek (4) bleek dat na 45 minuten koken slechts 35% van de bicarbonaationen was verwijderd.

Blijvende hardheid en verandering van de in het water aanwezige ionen
Naast bicarbonaten komen in grote getale in het brouwwater de anionen chloriden en sulfaten voor. Deze hardheid wordt ook de niet-carbonhardheid genoemd. Het feit dat calciumchloriden en -sulfaten aangeduid worden als blijvende hardheid wil niet zeggen dat deze in het bier te vinden zijn.
Zoals al in het eerste deel van deze artikelenserie is aangegeven reageren de calciumionen met de fosfaten uit de mout. Tijdens de door mij gevolgde cursus 'Sensorische eigenschappen en degustatie van bier' wees prof. Derdelinckx ons er op dat de samenstelling van de in het brouwwater aanwezige ionen geheel afwijkt van die in bier. In het brouwwater vinden we vooral de ionen Ca2+, Mg2+, Na+, SO42- en Cl-. Ten gevolge van de interactie tussen de mineralen uit het water en die uit de mout treffen we in bier vooral in sterke mate K+ en H2PO4- aan en in een mindere mate HPO42-.

Sulfaten en chloriden
In bier zijn dus nagenoeg geen hardheidsionen aanwezig. Toch is de samenstelling van het brouwwater en vooral de verhouding van de sulfaten ten opzichte van de chloriden van het grootste belang voor de smaak van het uiteindelijke bier. Sulfaten geven een wat harde bitterheid terwijl chloriden een wat zacht ronde zoetige smaak geven. Op de invloed op de smaak van het uiteindelijke bier door de verschillende ionen zal ik nog nader ingaan.
 

Restalkaliteit

Bij het koken van het wort vinden, zoals besproken in het eerste deel van dit artikel, een tweetal tegengestelde reacties plaats die van invloed zijn op de pH. Het begrip restalkaliteit, dat te vinden is in de literatuur voor de professionele brouwers, houdt rekening met beide reacties. Om jullie geheugen even op te frissen herhaal ik hier even de bedoelde reacties:
  • pH-dalend; de reactie tussen de calcium- en magnesiumionen uit het water met de fosfaationen uit de mout
2 HP042- + 6 Ca2+ 6 Ca3(HPO4)29 + 2 H+

2 HP042- + 6 Mg2+ 6 Mg3(HPO4)29 + 2 H+;

  • pH-verhogend; het ontwijken van koolzuurgas uit het brouwwater bij verhitting
HCO3- + H+ 6 H2O + CO2 8 Voor de berekening van de restalkaliteit gaat men uit van de hoeveelheid in het water aanwezige bicarbonaten in mmol/l. Zoals je uit de reactievergelijkingen kunt opmaken zijn er veel meer calciumionen nodig voor een pH-daling dan dat je bicarbonaten nodig hebt voor een gelijkwaardige pH-stijging. Verder moeten we bedacht zijn op het feit dat magnesiumcarbonaat veel beter oplosbaar is dan calciumcarbonaat. Met al deze factoren heeft de Duitse onderzoeker Kolbach rekening gehouden bij de vaststelling van zijn in 1953 gepubliceerde formule voor het berekenen van de restalkaliteit. Deze formule luidt als volgt:

restalkaliteit = mmol / l HCO3- - ((mmol / l Ca2+ / 1,75) + (mmol / l Mg2+ / 3,5))

De restalkaliteit geeft aan voor welk biertype het water dat we hebben het best geschikt is als we de zuurgraad niet corrigeren. Volgens Peter Dilly (3) hoort de restalkaliteit als volgt te zijn:
 
 Restalkaliteit (mmol/l) Biertype
-0,8 tot 0,8

onder 1,8

onder 3,6

pilsener

andere lichtgekleurde bieren

donkergekleurde bieren


 

De restalkaliteit is in feite voor de bierbrouwer veel belangrijker dan de totale hardheid. Water met een restalkaliteit van 0 heeft dezelfde reactie met mout als met gedestilleerd water. Door de in het water opgeloste zouten wordt de pH uiteindelijk niet beïnvloed.

Toevoegen zuur
Donkergekleurde bieren hebben volgens prof. Narziß (5) een grotere tolerantie ten aanzien van de restalkaliteit in verband met de zuurvormende donkergekleurde Maillard-producten die deze moutsoorten rijk zijn.
De nuancering die prof. Narziß aanbrengt ten aanzien van de verschillende te gebruiken moutsoorten laat meteen zien dat het begrip restalkaliteit alles te maken heeft met de pH-waarde van het beslag. Deze waarde kunnen we ook eenvoudig corrigeren door het toevoegen van zuur. Op grond van het Duitse Reinheitsgebot is dit niet toegestaan vandaar dat de Duitsers veel aandacht besteden aan de restalkaliteit.

Berekenen restalkaliteit
Om met de formule van Kolbach te kunnen werken moeten we het molairgewicht weten van de verschillende ionen. In het boek 'New Brewing Lager Beer' geschreven door Gregory J. Noonan (6) is een overzicht gegeven van de molairgewichten van de belangrijkste waterionen.
 
 Ion Molairgewicht
(in grammen)
H+

Ca2+

Mg2+

Na+

K+

SO42-

CO32-

HCO3-

Cl-

1,008

40,078

24,305

22,990

39,098

96,064

60,009

61,017

35,453

Met behulp van de verschillende molairgewichten kan ik nu de restalkaliteit van het water uit mijn kraan (pompstation Genderen) berekenen.

De wateranalyse die ik bij mijn waterleidingbedrijf heb opgevraagd vermeldt de volgende relevante ionen: HCO3- 215 mg/l; Ca2+ 67 mg/l; Mg2+ 5,7 mg/l.

In mmol/l is dit:

HCO3- 215 mg/l / 61,017 = 3,524 mmol/l

Ca2+ 67 mg/l / 40,078 = 1,671 mmol/l

Mg2+ 5,7 mg/l / 24,305 = 0,235 mmol/l

De restalkaliteit van mijn water is 3,524 - ((1,671/1,75) + (0,235/3,5)) = 2,502 mmol/l. Deze waarde ligt ver boven de waarde die Narziß aangeeft voor lichtgekleurde bieren. Ook bij de meeste donkergekleurde bieren moet ik volgens de uitkomst van de formule het beslag aanzuren. Deze uitkomst is voor mij geen verrassing want hij komt volledig overeen met mijn jarenlange ervaring bij het brouwen van verschillende biertypes. Naar mate de kleur van het uiteindelijk bier lichter is moet ik meer aanzuren. Alleen als ik zeer veel donkere mout gebruik hoef ik niet of heel weinig aan te zuren.
Voor degenen die nog steeds twijfelen of ze wel iets aan het corrigeren van de pH-waarde van het beslag moten doen omdat het bij hen toch wel allemaal goed komt, raad ik aan eens de restalkaliteit te berekenen om te zien of dit klopt.
 

Waterontharding

Zoals ik hiervoor al heb geschreven heb zijn calciumionen gunstig voor het brouwproces. Het eerste doel van waterontharding bij professionele brouwerijen is dan ook niet gericht op het verwijderen van de calciumionen maar op het onschadelijk maken van de bicarbonaten! Alleen als men met zoutrijk water een biertype wil brouwen waarvoor een zoutarm water vereist is (pilsener) heeft het ontzouten zin.

Ontkalken met gebluste kalk
Het behandelen van hard water met calciumhydroxide (Ca(OH)2), ook wel gebluste kalk genoemd, is de oudst bekende manier van waterbehandeling. Door de toevoeging van een oplossing van calciumhydroxide (kalkwater) aan het brouwwater kunnen de volgende effecten optreden:

  • verwijdering van in het water aanwezig koolzuur
H2CO3 + Ca(OH)2 6 CaCO39 + 2 H2O
  • verwijdering calciumbicarbonaat
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 6 2 CaCO39 + 2 H2O
  • verwijdering van het bicarbonaation afkomstig van magnesiumbicarbonaat
Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 6 2 CaCO39 + MgCO3 + 2 H2O
  • verwijdering magnesiumcarbonaat (ontstaan door vorige reactie)
MgCO3 + Ca(OH)2 6 2 CaCO39 + Mg(OH)2
  • verwijdering bicarbonaation afkomstig van natriumbicarbonaat
2 NaHCO3 + Ca(OH)2 6 2 CaCO39 + Na2CO3 + 2 H2O Een groot nadeel van deze onthardingsmethode is dat Ca(OH)2 een sterke base is (een base is populair gezegd de tegenhanger van een zuur). Een te hoge dosering van deze stof zorgt er voor dat de pH onacceptabel hoog wordt. Als je daarentegen te weinig Ca(OH)2 toevoegt worden niet alle bicarbonaten verwijderd. De hoeveelheid Ca(OH)2 moet dan ook heel precies worden bepaald aan de hand van de in het water aanwezige koolzuur en bicarbonaten. Voor ons zelfbrouwers is dit heel lastig. We kunnen de hoeveelheid koolzuur en bicarbonaten niet met eenvoudige hulpmiddelen bepalen en de analyses die we bij de waterleidingbedrijven kunnen krijgen zijn niet altijd adequaat voor wat betreft het koolzuurgehalte. Verder moeten we bedenken dat de gepresenteerde analyseresultaten vaak gemiddelde waarden zijn.

Andere nadelen van deze onthardingsmethode zijn:

  • de lage oplosbaarheid van Ca(OH)2 in water: ongeveer 1,18 g / l (= ongeveer 22 mmol / l);
  • het feit dat Ca(OH)2 de huid aantast;
  • het feit dat een oplossing van Ca(OH)2 langdurig en intensief geroerd moet worden met het te behandelen water;
  • het behandelde water 1 à 2 dagen moet bezinken voordat het voorzichtig van het gevormde neerslag kan worden overgeheveld.
Het ontharden met kalkwater is toegestaan op grond van het Duitse Reinheitsgebot. Gezien echter de vele nadelen is de onthardingsmethode allesbehalve geschikt voor een zelfbrouwer.

Ionenwisselaars
Ionenwisselaars zijn kunstharsen die in staat zijn uit een zoutoplossing kationen of anionen op te nemen en daarvoor in de plaats een gelijkwaardige hoeveelheid andere kationen of anionen af te geven. De term gelijkwaardig heeft in dit verband betrekking op de elektrische lading van de ionen. Zo wordt het tweewaardige Ca2+ gewisseld door 2 H+.
Een aantal jaren geleden zijn veel professionele brouwerijen overgeschakeld van het behandelen van het brouwwater met kalkwater op het gebruik van ionenwisselaars. De ontwikkeling van kunstharsen van levensmiddelenkwaliteit maakte dit mogelijk. De huidige harsen zijn volledig onoplosbaar in water, zijn zwaarder dan water en maken het mogelijk de ionenuitwisseling snel te laten verlopen.

Voor de bierbereiding kan gebruik worden gemaakt van vier verschillende ionenwisselaars, namelijk zwakzure en sterkzure kationenwisselaars en zwakbasische en sterkbasische anionenwisselaars.
Zwakzure kationenwisselaars verwijderen alleen Ca2+ en Mg2+ uit het water. Voor het behandelen van brouwwater moet je wisselaars gebruiken die Ca2+ en Mg2+ verruilen voor H+. De vrijkomende H+ neutraliseert de alkalische werking van HCO3-. Bij deze neutralisatie komt, zoals we al eerder hebben gezien, koolzuurgas vrij. Voor de meeste brouwwaters met veel bicarbonaten kan de waterbehandeling volstaan met een dergelijke ionenwisselaar . Als het water zeer rijk is aan NaHCO3 biedt een dergelijke wisselaar geen soelaas voor de verwijdering van de bicarbonaten omdat er dan te weinig H+ vrijkomt.
Er bestaan ook zwakzure kationenwisselaars die de ionen die Ca2+ en Mg2+ verruilen voor Na+. Dergelijke wisselaars worden veel gebruikt in vaatwasmachines. Voor brouwdoeleinden zijn deze wisselaars volkomen ongeschikt. Het schadelijke HCO3- wordt niet geneutraliseerd en de toegevoegde Na+ kan smaakafwijkingen geven.
De sterkzure kationenwisselaars zijn in staat alle kationen (dus ook Na+ en K+) uit het brouwwater te verruilen voor H+. Het brouwwater krijgt hierdoor een te lage pH-waarde die geneutraliseerd kan worden met Ca(OH)2. Per saldo wordt door een dergelijke werkwijze alleen de tijdelijke hardheid verwijderd.
Zwakbasische anionenwisselaars zijn enkel in staat de anionen van sterke zuren (SO42- en Cl-) te verruilen voor het hydroxide-ion (OH-). Om deze hydroxide te neutraliseren is een sterk zuur vereist. Door de inbreng van anionen afkomstig van het gebruikte zuur heeft de uitwisseling weinig zin gehad.
Sterkbasische anionenwisselaars kunnen naast anionen van sterke zuren ook anionen van zwakke zuren tegen OH- uitwisselen. Door een dergelijke wisselaar wordt het water zeer alkalisch (het krijgt een hoge pH-waarde). De combinatie sterkzure kationenwisselaar met een sterkbasische anionenwisselaar heft de nadelen van de individuele wisselaars op. Het water wordt door deze combinatie volledig ontzout. Dergelijk water kan daarna door toevoeging van zouten precies worden afgestemd op het biertype dat men wilt brouwen. In het derde deel van dit artikel over water zal ik hierop uitgebreid ingaan.
Een groot nadeel van waterbehandeling met ionenwisselaars is dat de wisselaars maar een beperkte capaciteit hebben. Wanneer de harsen verzadigd zijn en alle H+ of OH- zijn uitgewisseld moeten de wisselaars geregenereerd worden (= weer opnieuw bruikbaar maken). Hiervoor moeten de kationenwisselaars die H+ vrijgeven gespoeld worden met zoutzuur (HCl). De anionenwisselaars moeten gespoeld worden met natriumhydroxide (NaOH).
Met behulp van een nauwkeurige pH-meter of met speciale testsetjes kun je controleren of het noodzakelijk is te regenereren. Het kan natuurlijk geen kwaad om vroegtijdig een regeneratie uit te voeren.

Omgekeerde osmose

De zogenaamde omgekeerde osmosetechniek is een moderne wijze van waterbehandeling die naar mijn idee ook geschikt is voor de zelfbrouwer. De techniek vereist geen chemicaliën en is daarmee zeer milieuvriendelijk. Populair gezegd wordt bij omgekeerde osmose het water gefilterd door een zeer fijn filter die de ionen achterhoudt.
De werking van deze techniek is echter wat ingewikkelder dan een simpele filtratie. Het omgekeerde osmoseapparaat is voorzien van een semi-permeabele membraan. Een dergelijk membraan heeft als eigenschap dat het de zoutconcentraties aan beide kanten van het membraan gelijk wil houden. In normale omstandigheden stroomt water uit de zoutarme oplossing door het membraan naar de zoutrijke oplossing. Door de watertoename aan de zoutrijke kant stijgt daar de osmotische druk.
Je vermoedt het waarschijnlijk al: omgekeerde osmose werkt net andersom. Water met een hoge concentratie aan zouten dat gezuiverd moet worden met een omgekeerd osmose apparaat wordt onder een hogere druk gebracht dan de osmotische druk die dit water heeft. Op die manier wordt het kleine watermolecuul door het membraan geduwd terwijl de zoutionen achterblijven. Er ontstaat zoutrijker water aan de ene kant van het membraan en zoutarm permeatiewater aan de ander kant. Om te voorkomen dat de osmotische druk aan de zoutrijke kant hoger wordt dan de druk op het water wordt het zoutrijke water continu geloosd. Zou men dat niet doen dan werkt op een bepaald moment het systeem niet meer.
Via Edwin Ceulemans, die ik bij deze hartelijk wil danken voor zijn hulp bij het totstandkomen van dit artikel, heb ik de volgende informatie verkregen over de werking van een omgekeerd osmoseapparaat dat in winkels voor aquariumbenodigdheden te koop is voor zo'n 400 gulden (7500 BFR). Het apparaat wordt verkocht als 'Rondex omkeerapparaat 7060' en heeft ten opzichte van Ca2+ en Mg2+ een zuiverende werking van 95%. Dit wil zeggen dat de hardheid van zeer hard water met een hardheid van 3,2 mmol/l (32EFrans of 18EDuits) teruggebracht wordt tot zeer zacht water met een hardheid van 0,16 mmol/l (1,6EFrans of 0,9EDuits). Het apparaat heeft een rendement van 25%. Dit betekent dat je 300 liter afvalwater hebt per 100 liter gezuiverd osmosewater. De opbrengst aan osmosewater bedraagt 60 tot 100 liter per dag als water wordt gebruikt van 10EC met een druk van 3 bar. Voor een goede werking mag het aanvoerwater maximaal een temperatuur hebben van 20EC. Volgens Edwin, die al een paar jaar zo'n apparaat in gebruik heeft, levert het geen probleem op als je het apparaat enige tijd buiten werking laat. Dat is heel gunstig want er zullen maar weinig zelfbrouwers zijn die continu onthard water nodig hebben.
Alles bij elkaar is het beschreven apparaat voor de zelfbrouwer ideaal voor het behandelen van brouwwater. Je hoeft geen chemicaliën toe te voegen zoals bij het ontkalken met Ca(OH)2 of continu te controleren of de werking nog juist is zoals bij een ionenwisselaar. Onthard water kan simpel gemengd worden met niet behandeld water waardoor elke gewenste hardheid verkregen kan worden. Volledig onthard water kan door het toevoegen van brouwzouten geschikt gemaakt worden voor elk biertype. In het derde deel van dit artikel zal ik daarop nader ingaan.
 

De invloed van de in het brouwwater aanwezige ionen op het brouwproces

Tot nu toe heb ik het vooral gehad over de invloed van de calcium-, magnesium- en bicarbonaationen op de pH van het beslag. Ik heb hier zo uitgebreid bij stilgestaan omdat een juiste pH van het beslag en wort van essentieel belang is voor de kwaliteit van het bier.
De kwaliteit en zeker ook de smaak van een bier wordt ook beïnvloed door andere ionen. In deze paragraaf zal ik de betekenis van alle ionen die gebruikelijk in grondwater worden aangetroffen bespreken.

Calcium (Ca2+)
Ik heb er al een paar keer op gewezen: calcium heeft tal van positieve eigenschappen voor het brouwproces. Calcium stimuleert de enzymactiviteit en verbetert de eiwit afbraak. Verder stabiliseert het de alfa-amylase en zorgt het voor een snellere filtering. Het extraheert de fijne bitterstoffen uit de hop en vermindert de wortkleur. Calcium is een essentieel bestanddeel van de gistcel en kleine hoeveelheden calciumionen neutraliseren stoffen die giftig zijn voor de gist. Voorts verbetert het de klaring bij het ouder worden van het bier. Ook wordt de stabiliteit en smaak van een bier gunstig beïnvloed door calcium. De laatste gunstige eigenschap die ik hier noem is het feit dat calcium reageert met oxaalzuur tot het moeilijk oplosbare calciumoxalaat, waardoor gushing voorkomen wordt (7)
Een overmaat aan calcium kan echter schadelijk zijn voor het bier. Zoals ik al uitgebreid besproken heb vormen calciumionen samen met fosfaten uit de mout een neerslag. Deze neerslag kan een ongunstig uitwerking hebben op het filterverloop van het beslag. Daarnaast kunnen er ook teveel fosfaten weggenomen worden die noodzakelijk zijn voor een goede gistgroei.

Magnesium (Mg2+)
Magnesium is het andere metaalion dat verantwoordelijk is voor de waterhardheid. Ook dit ion is zeer gewenst. Het is noodzakelijk voor de werking van sommige enzymen en als gistvoeding. Bij concentraties tussen de 10 en 30 mg/l versterkt het ion de biersmaak. Daarboven kan het een samentrekkende bitterheid veroorzaken.

Natrium (Na+)
Dit ion is vooral bekend in de vorm van natriumchloride of wel keukenzout (NaCl). De zure zoutige smaak van dit ion kan de biersmaak accentueren als de concentratie niet te hoog is (" 50 mg/l). Een overmatige hoeveelheid aan natriumionen geeft een harde en onprettige smaak. Daarboven komt nog dat het ion de gisting remt. Een hoge concentratie aan natriumionen is zeer ongewenst bij bieren die zich kenmerken door een zacht karakter zeker als deze bieren licht van kleur zijn.

Kalium (K+)
Kalium zorgt voor een zoute smaak. Boven de 10 mg/l belemmert het de werking van enzymen en werkt het laxerend. In grondwater is de concentratie zelden hoger dan 20 mg/l.

IJzer (Fe2+ en Fe3+)
IJzerionen komen bijna altijd voor in grondwater. Ze geven een metaalachtige, inktachtige smaak die eerder in bier te proeven is dan in water. Tijdens de cursus 'Sensorische eigenschappen en degustatie van bier' kregen we geel/bruin gekleurd water te proeven waarin 0,1 g/l ijzersulfaat was opgelost. Dit water proefde vrij neutraal. Na toevoeging van een kleine hoeveelheid van deze oplossing aan een glas pilsener was de metaalsmaak zeer duidelijk waar te nemen. Al bij 0,05 mg/l zou het ion in bier al te constateren zijn. Boven de 1 mg/l verzwakt ijzer de gist en kan het troebelingen en gushing (= het spontaan uit de fles spuiten van bier) veroorzaken. Concentraties boven de 3 mg/l zijn zeer ongunstig voor het brouwproces.
IJzer in brouwwater moet zo veel als mogelijk worden voorkomen. Gelukkig voor ons behandelen bijna alle drinkwaterbedrijven het leidingwater zodanig dat de concentratie aan ijzer voor ons aanvaardbaar is.

Mangaan (Mn2+)
Geringe hoeveelheden mangaan worden gevonden in bijna elk grondwater. Omdat het bier een onaangename smaak geeft moet de concentratie onder de 2 en liefst onder de 0,5 mg/l zijn. Door de gebruikelijke beluchting van het grondwater bij de drinkwaterbereiding wordt de hoeveelheid gereduceerd tot 0,02 mg/l. Dergelijke lage concentratie levert geen problemen en is zelfs gewenst voor een goede gistgroei. Ook werkt een geringe hoeveelheid mangaanionen positief op de verwijdering van hypochloriet uit leidingwater als je het water een tijdje kookt.

Koper (Cu2+)
Ook een zeer geringe hoeveelheid koper is noodzakelijk voor een goede gistgroei en voor de werking van bepaalde enzymen (de exacte hoeveelheid is mij niet bekend). Het is zaak niet teveel koper in het wort te krijgen (maximaal 1 mg/l). Een hoge concentratie (meer dan 10 mg/l) is giftig voor de gist, kan voor troebelingen zorgen en de werking van enzymen beperken. Voorts kan koper voor metaalachtige smaakafwijkingen en troebelingen zorgen.
In dit blad hebben we in het verleden uitgebreid gediscussieerd over de gevaren en gewenstheid van koper in bier naar aanleiding van het gebruik van koperen wortverzamelpijpen. In Proost nrs. 14 en 15 kun je hierover meer lezen (8 en 9).

Zink (Zn2+)
Een metaalion dat absoluut niet gemist kan worden voor een goede gistgroei is zink. De vereiste hoeveelheid ligt tussen de 0,1 en 0,15 mg/l (10). De hoeveelheid zink die via het water en de mout in het wort komt is niet altijd toereikend voor een vlot verlopende gisting. Het is om deze reden dat zinkzouten, zij het in minimale hoeveelheden, onderdeel uitmaken van gistvoedingzouten. Professionele brouwerijen voegen ter verbetering van de vergisting zink toe aan het brouwwater in de vorm van zinkchloride (ZnCl2).
Ook met zink is het oppassen. Boven de 1 mg/l is het giftig voor de gist en enzymremmend. Verder kan zink ook een metaalachtige smaak geven. De marges voor het toevoegen van zink zijn dus heel klein.

Carbonaat (CO32-) en bicarbonaat (HCO3-)
Door in het regenwater opgelost koolzuurgas uit de lucht worden in de bodem carbonaten gevormd. Deze carbonaten lossen in water op in de vorm van bicarbonaten.
Zoals uitgebreid reeds besproken is zorgen bicarbonaten voor een pH-stijging van het beslag. Bierbouwers zijn om nog meer redenen deze ionen liever kwijt dan rijk. Ze hinderen de afbraak van zetmeel door alfa-amylase en belemmeren de afzetting van eiwitten na het afkoelen van het wort. Bij de gisting verhogen ze het risico op infecties. Verder dragen ze bij aan een harde onaangename wrange bitterheid.

Sulfaat (SO42-)
Door sulfaten in het wort krijgt het bier een iets vollere, drogere en vooral bittere smaak. Sulfaten komen met name voor in Engelse biertypes. In de regel dient de hoeveelheid beperkt te blijven tot 150 mg/l. Bij sterk gehopte bieren geeft een hoeveelheid tussen de 150 en 350 mg/l een zuivere en pikantere bitterheid. Boven de 500 mg/l wordt het bier sterk onaangenaam bitter.

Chloride (Cl-)
Chloriden geven het bier een zachte, malse, vollere en zoetere smaak. Ook kan het de bitterheid accentueren. Het bevordert de stabiliteit en helderheid van het bier. De 'zoute' smaak van chloriden zorgt in het algemeen voor een vollere smaak, die gereduceerd kan worden door de aanwezigheid van calcium en magnesium. Gebruikelijk ligt de hoeveelheid chloriden tussen de 1 en 100 mg/l. Bij sommige Engelse biertypes en een aantal Belgische bieren uit West-Vlaanderen is het gehalte aan chloriden zeer hoog (tot 250 mg/l).

Nitraat (NO3-) en nitriet (NO2-)
Nitraten kunnen door de mens omgezet worden tot het giftige nitriet, dat voor gezondheidsproblemen kan zorgen. Nitraten als zodanig zijn niet schadelijk voor de gezondheid (11). Voor de brouwers is een beperking van nitraten niet alleen om gezondheidsreden van belang, maar ook voor het verloop van de gisting. Nitraten remmen de gistgroei en zorgen voor een langzamere gisting (12). Verder kunnen nitraten door bepaalde bacteriën die in het wort kunnen voorkomen omgezet worden tot nitriet. Nitriet is zeer giftig voor de gist. Slechts 0,1 mg/l in het wort is voldoende om de gisting te vertragen of zelfs te beëindigen.
Nitraten kunnen in het grondwater komen via dierlijke mest. Vooral in ondiep grondwater kan bij een intensieve bemesting een behoorlijke hoeveelheid aanwezig zijn. Naast mogelijke bacteriële infecties is dit de belangrijkste reden waarom je ondiep grondwater in onze contreien nooit mag gebruiken voor het brouwen van bier.
De concentratie aan nitraten mag in drinkwater op grond van de daarvoor gestelde regels niet hoger zijn dan 50 mg/l. Volgens de EU drinkwaternorm is 25 mg/l het maximale. In veel voedingsstoffen zijn veel hogere concentraties te vinden, bijvoorbeeld in spinazie, radijs en sla (2000 - 3000 mg/kg).
 

Referenties

  1. Ir. Frank Weustenraed, Technologie Brouwerij en Mouterij, Deel III: Wort, Hoger Technisch Instituut Sint-Lieven, Gent 1983.
  2. Prof. Guy Derdelinckx, Brouwwater, een door mij op 11 januari 1997 bijgewoonde les behorende bij de cursus 'Sensorische eigenschappen en degustatie van bier', KU Leuven - Brewing Research Group en KaHo St. Lieven, Departement KIHO Onderwijseenheid Biochemie-Brouwerij, Leuven - Gent 1996/1997.
  3. Dr. Peter Dilly, Wasser für Brauereien, Behr's Verlag, Hamburg 1989.
  4. Wilco Agterhuis, Waterbehandeling, wat doe er mee?, Clubblad De Roerstok, Tilburg, september 1995.
  5. Prof. Ludwig Narziß, Abriß der Bierbrauerei, Ferdinand Enke Verlag, Stuttgart, 5e druk 1986.
  6. Gregory J. Noonan, New Brewing Lager Beer, Brewers Publications, Boulder, Colorado 1996.
  7. Dr.-Ing Karl-Ullrich Heyse, Handbuch der Brauerei-Praxis, Verlag Hans Carl Nürnberg, 1989.
  8. Jacques Bertens, Koper en bier, Proost, Uitgeverij Proost Beverlo, nr. 14 maart/apr. 1996.
  9. Jacques Bertens, Nog meer koper in bier, Proost, Uitgeverij Proost Beverlo, nr. 15 mei/juni 1996.
  10. Prof. S. Donhauser en D. Wagner, Gärungstechnologische Faktoren und Bierqualität, Brauwelt, Verlag Hans Carl Nürnberg, nr. 38 1994.
  11. R. Thalacker, Das Nitrat aus der Sicht des Lebensmitteltechnikers, Brauwelt, Verlag Hans Carl Nürnberg, nr. 22 1992.
  12. H. Taschan, Nitrat- and Nitritgehalte deutscher und ausländischer Biere, Brauwelt, Verlag Hans Carl Nürnberg, nr. 33/34 1990.


Jacques Bertens
 
 

Eerdere publicatie

Dit artikel is eerder gepubliceerd geweest in het vakblad voor de amateur wijn-, bier- en likeurmaker en verwante hobby's Proost, nr. 23, sept./okt. 1997 en nr. 24 nov./dec 1997.


Terug naar de overige Artikelen over het brouwen van bier.


Home