Wasseraufbereitung – Teil 2

Bierstile sind regional geprägt. So trinkt man in Franken eher malzbetonte dunklere Biere und im Norden mehr hopfenbetonte helle Biere. Dies liegt auch zum Teil an den regional unterschiedlichen Salzgehalten in den lokalen Wasserbrunnen. Hopfige Biere brauchen ein eher weicheres Wasser, denn sonst wird der Hopfen zu kratzig, während dunklere Biere auch ein härteres Wasser abhaben können. Als Hobbybrauer will man aber natürlich gerne auch mal über seinen lokalen Tellerrand hinausschauen und zum Beispiel mal ein Pils oder IPA mit seinem Wasser aus der Wasserleitung brauen. Spätestens hier muss man auf den Salzgehalt achten.

Aus diesem sehr guten Artikel habe ich einmal für mich wichtige Biersorten und ihre verwendete Wasserzusammensetzungen aufgelistet:

Biertyp RA[°dH] Ca[mg/l] Mg[mg/l] Sulfat[mg/l] Chlorid[mg/l]
Helles Lagerbier
Münchner Helles
-3 – 0 30 – 50 0 – 20 0 – 50 50 – 100
Böhmisches Pilsener -2 – 0 0 – 30 0 – 20 0 – 50 0 – 50
Märzen
Festbier
0 – 5 50 – 75 0 – 25 0 – 50 50 – 150
Dunkles Lagerbier
Münchner Dunkel
Schwarzbier
Fränkisch Dunkel
3 – 6 50 – 75 0 – 25 0 – 50 50 – 150
Maibock, heller Bock 5-10 50 – 75 0 – 20 0 – 100 50 – 100
Dunkles Bockbier 10 50 – 100 0 – 25 0 – 100 50 – 100
Stout
Porter
2 – 7 50 – 75 15 – 35 50 – 150 50 – 100
IPA -3 – 5 50 – 150 0 -25 100 – 400 0 – 100

Bisher habe ich mich hauptsächlich mit dem idealen pH Wert beschäftigt, damit die Enzyme ideal arbeiten können. Doch diesmal will ich  mich auch dem Thema Salzzusammensetzung widmen ohne zu tief in die Chemie einzusteigen (Schulchemie ist bei mir schon gute 30 Jahre her).
Die lokalen Wasserwerke messen hin und wieder ihre Wasserwerte und veröffentlichen diese. Ich hab einmal, für die Bierherstellung wichtigen Werte, für Schwabach/Wolkersdorf angegeben:

Calcium (Ca2) = 74 mg/l
Magnesium (Mg2+) = 29 mg/l
Natrium (Na) = 10 mg/l
Chlorid (Cl) = 13 mg/l
Sulfat (SO4) = 48 mg/l
Nitrit (NO3) = 0,02 mg/l
Nitrat (NO3) = 16 mg/l

Die anderen Salze sollten erstmal keine weitere Rolle für den Geschmack spielen. Sind die Angaben in ppm vorhanden, so entspricht 1ppm ~ 1mg/l. Aus diesen Angaben lässt sich dann erstmal folgendes berechnen:

Gesamthärte (GH) [°dH] = (Ca2+[mg/l]  * 1,4 + Mg2+[mg/l] * 2,307) / 10
Calciumhärte[°dH] = Ca2+[mg/l] / 7,14
Magnesiumhärte[°dH] = Mg2+[mg/l] / 4,34
Carbonathärte (KH) [°dH] = Hydrogencarbonat (HCO3 ) [mg/l] / 61,017 * 2,8

Leider fehlt bei mir die Angabe der Carbonathärte oder von Hydrogencarbonat. Für letzteres habe ich eine Formel gefunden, ob diese aber stimmt, kann man mit einem Karbonathärtetest durch titrieren messen:

Karbonathärte(KH) [°dH] = Gesamthärte(GH)[°dH]    – ( Sulfat (SO4)[mg/l] +  Chlorid(Cl)[mg/l] + Nitrit(NO3)[mg/l] +Nitrat[mg/l] )  /  21,8

Alternativ und vielleicht besser ist es die Karbonathärte durch Säure-Basen-Titration zu bestimmen. Dazu braucht man nur etwas Methylorange und 0,1n Salzsäure (HCl). Dabei wird das Wasser zunächst mit dem Indikator Methylenorange orange gefärbt. Nach diesem Messverfahren wird nun wird so lange Salzsäure dazu getropft, bis ein Farbumschlag ins ganz rote erfolgt ist. Aus der Menge der zugetropften Salzsäure kann nun die Karbonathärte berechnet werden:  KH[°dH] = HCl [ml] * 2,78. Etwas einfacher geht es mit einem Testset für Aquarien.

Dazu wird in einem Messbecher 5ml Leitungswasser gegeben. Tröpfchenweise wird die Messlösung dazugegeben.

Der erste Tropfen färbt das Wasser dunkelblau.

Beim Zutropfen sollte immer mal etwas leicht geschüttelt werden. Langsam kommt ein Umschlag nach grün.

Am Ende ist die Lösung gelb. Die Anzahl der Tropfen ergibt dann die Karbonathärte in °dH, d.h. 1 Tropfen ~ 1°dH. Die Messung mit dem Test ergibt bei mir fast den gleichen Wert, wie der berechnete zwischen 13-14°dH an.

Bei einem Mineralwasser war auch die Karbonathärte angegeben.

Daraus kann ebenfalls die Karbonathärte berechnet werden:

Karbonathärte(KH) [°dH] = Hydrogencarbonat[mg/l] / 61 * 2,8

Hat man nun Carbonathärte (KH) und Gesamthärte(GH), so kann die Nichtkarbonathärte (NKH) berechnet werden:

Nichtcarbonathärte(NKH) [°dH] = Gesamthärt (GH)[°dH] – Carbonathärte (KH)[°dH]

Für viele Brauer gilt für ein gutes Bier das Verhältnis KH / NKH = 0,4 – 0,5 ist. Wie man aus den bisherigen Formeln sieht, hängt das Verhältnis von den Konzentrationen von Calcium, Magnesium, Sulfat, Chlorid und Nitrit/Nitrat ab. Weiterhin heisst es, dass das Verhältnis von Sulfat zu Chlorid ebenfalls Beachtung braucht. Hopfenbetonte Biere sollten Sulfat / Chlorid = 2, malzbetonte Biere  Sulfat / Chlorid = 0,5 und ausgewogene Biere Sulfat / Chlorid = 1 haben. Allerdings ist es schwer an dem letzten Verhältnis durch Salze zu drehen, da auch Malze dies wieder verändern und man hier durch Hopfen- und Malzgaben dies auch beeinflussen kann. Die säurepuffernde Restalkalität (RA) berechnet sich dann, wie folgt:

Restalkalität (RA)[°dH] = Carbonathärte [°dH] – Calciumhärte[°dH] / 3,5 – Magnesiumhärte [°dH] / 7

Bei meinen aktuellen Wasserangaben mit RA ~ 10°dH, wäre das Wasser ideal für ein dunkles Bockbier. Man müsste lediglich noch etwas Chlorid zum Beispiel in Form von Kochsalz hinzugeben. Vergessen darf man aber dabei nicht, dass selbst Malze auch Salze in das Wasser abgeben. Bei 10 °P sind das:

Natrium = 10 mg/l
Calcium = 35 mg/l
Magnesium = 70 mg/l
Chlorid = 125 mg/l
Sulfat =  5 mg/l

Dank einem Youtube Video von Friedies Brauhaus hab ich auch für mich die folgende Methode, als die Beste und einfachste ausgewählt. Diese basiert darauf, den Gesamtsalzgehalt durch einen Filter entsprechend abzusenken. Dabei kommt ein sogenanntes Mischbettharz mit Kationen- und Anionenharz im Verhältnis 40:60  zum Einsatz. Dabei kann 1Liter Mischbettharz 250L Wasser um dGH = 5°dH absenken, 125L Wasser um 10°dH oder 62,5L um 20°dH. Ein Maß für die Absenkung wird mit Hilfe des Leitwertes vor und nach der Entsalzung berechnet. Anschließend wird dann der herabgesetzte Salzgehalt mit Bittersalz, Kochsalz, Calciumchlorid und Gips entsprechend aufgebaut. Als Ausrüstung braucht man dafür folgende Gegenstände:

Ausrüstung:

Filtergehäuse 10″ mit 1/2″ IG

Mischbettharz Nachfüllkartusche 10″ L=25cm B=7cm (~1L) Max.Druck 6 Bar Max. Temp. 45 C°

Mischbettharz 400MB 40:60 (Kationen-Harz:Anionen-Harz)

Gardenaadapter 1/2″ AG

Stück Wasserschlauch mit Gardena Kupplungen

Kugelhahn 1/2″ IG 1/2″ AG

Gewindedichtung Teflonband

EC Messgerät für Leitwert

Karbonathärtetest

Bittersalz (Magnesiumsulfat-Heptahydrat, Mg[SO4]·7H2O)

CalciumChlorid (CaCl2), alternativ Kochsalz (NaCl)

Kalziumsulfat (CaSO4, Gips)

Zusammenbau:

Am Eingang des Filtergehäuses kommt die Schlauchkupplung daran und am Ausgang kommt der Hahn mit der Schlauchkupplung. Alle Gewinde müssen mit Gewindecihtungsband umwickelt werden.

Die Filterharzkartusche wird mit dem Mischbettharz bis oben hin aufgefüllt. Am Boden und oben kommt ein Fließ dazu, so dass das Harz beim Durchspülen im Behälter bleibt.

Die Kartusche wird dann in den Filter eingeschraubt.

Nun kann der Filter über einen Gartenschlauch an den Wasserhahn angeschlossen werden.

Der Hahn dient dazu die Fließgeschwindigkeit zu regeln. Je schneller das Wasser durch den Filter fließt, desto weniger können die Salze herausgelöst werden. Hie rgilt es ein wenig zu experimentieren. Wie gut die Salze herausgefiltert werden, gibt die Messung der Leitfähigkeit an. Die  Leitfähigkeit des Wassers zeigt die Summe der gelösten Ionen (Salze) im Wasser an (Gesamtsalzgehalt). Jedes Ion ermöglicht mit seiner elektrischen Ladung einen Stromfluss im Wasser.

Es gibt im Handel spezielle Geräte zur Messung der Leitfähigkeit (EC Messgeräte), aber wenn man ein Multimeter mit Widerstandsmessung dabei hat, kann dieser Wert auch damit hinreichend genau bestimmt werden. Der gemessene Wasserwiderstand kann dann in die Leitfähigkeit ρ [1/(Ω · cm) oder SI/cm] umgerechnet werden. Je höher der Ionengehalt ist, umso mehr Strom kann fließen und desto höher ist die Leitfähigkeit des Wassers. Dabei entsprechen linear 33 µs/cm (µs := Mikrosiemens)  = 1° dH. Mit den Formeln unten kann aus dem gemessenen Widerstand die Gesamthärte berechnet werden:

L[Ω²] = 1 / R[Ω]
Z [cm²] = l [cm] / A[cm²]
ρ [1/(Ω · cm) | SI/cm] = L * Z

ρ [SI/cm] = l [cm] / ( A [cm²] * R[Ω] )
GH [°dH] = ρ [µSI/cm] / 33

R ist dabei der gemessene Widerstand, A ist die Querschnittsfläche, die die Messpunkte bilden und l ist die Entfernung der Messspitzen. Die Schweirigkeit hier ist, die Querschnittsfläche der Messspitzen zu bestimmen. Dazu kommt noch, dass der Wert Temperaturabhängig ist. Sollte man also die Messwerte vergleichen sollen, so muss dies bei gleicher Temperatur geschehen. Für die Messung ist sowieso erstmal nur das Verhältnis wichtig und da die Gleichungen linear sind, kann auch der Widerstand im Verhältnis vollkommen ausreichen.

Trotzdem ist ein EC-Messgerät hier durchaus hilfreicher und so hab ich mich eben auch entschieden mir eines zuzulegen, dass auch die Temperatur dabei mitberücksichtigt. Gemessen wird dabei die Leitfähigkeit vor der Entsalzung.

Mit  576µSI/cm bei 15°C komme ich dabei auch auf die berechneten GH-Vor 17°dH.

Nun kann das Wasser durch den Filter laufen. Je nach Fliessgeschwindigkeit wird dementsprechend stark entsalzt.

Mit der Messung nach der Entsalzung komme ich auf 16µSI/cm, das GH-Nach = 0,5°dH entspricht. Dies entspricht einer Reduktion der Salze auf GH-Nach / GH-Vor = 0,5°dH * 100 / 17°dH = 3%.

Somit bleiben von den Salzen nur noch folgende Menge im Wasser übrig:

Calcium (Ca2) = 74 mg/l * 3% = 2,1 mg/l
Magnesium (Mg2+) = 29 mg/l * 3% = 0,82 mg/l
Natrium (Na) = 10 mg/l * 3% = 0,28 mg/l
Chlorid (Cl) = 13 mg/l * 3% = 0,37 mg/l
Sulfat (SO4) = 48 mg/l * 3% = 1,37 mg/l
Nitrit (NO3) = 0,02 mg/l * 3% = 1,37 mg/l
Nitrat (NO3) = 16 mg/l * 3% = 0 mg/l

Ein Nachteil hat die Sache, dass die zusammen gemischten stark sauren Kationen- und schwach basischen Annionenharze nicht wieder regenierbar sind. Nun kann man mit den vorrätigen Salzen den entsprechenden Gehalt aufbessern.

Hat man die Salze nun soweit herausgefiltert, muss man diese für den entsprechenden Bierstil nun wieder hinzufügen. Dabei ist aber auch einiges zu beachten. Für die Zugabe von Salzen hab ich nun die drei benannten Salze Calciumsulfat (Braugips), Magnesiumsulfat und Kalziumchlorid bzw. Kochsalz (Natriumchlorid). Wobei es hier sicherlich noch mehr Salze gibt. Allerdings haben diese dann auch Auwirkung auf Restalkalität. Fügt man zum Beispiel 1g/l Calciumsulfat (CaSO4) dem Brauwasser hinzu, so werden 557,93mg/l Sulfat (SO4) und 232,78mg/l Calcium (Ca2) hinzugefügt und senkt aber auch die Restalkalität (RA) um 0,0093°dH (107,4mg/l). Will man zum Beispiel den Sulfatgehalt anpassen und muss diesen um 50mg/l erhöhen, so muss man 50 mg/l * 557,93mg/l / 1000mg/l = 27,98mg/l Calciumsulfat-Dihydrat (Calciumsulfat liegt immer in Dihydratform vor) hinzufügen. Dies senkt aber die RA ab um 27,98 mg/l * -1°dH / 107,4 mg/l = – 0,25°dH ab. Ebenfalls muss so mit Magnesiumsulfat  verfahren werden. Calciumchlorid und Natriumchlorid heben dabei den Chloridanteil entsprechend an. Mit 80%-iger Milchsäure kann auch die RA abgesenkt werden mit -1°dH = 0,04g. Zur Erhöhung der RA gibt es Natriumhydrogencarbonat (NaHCO3, Natron).

Calciumsulfat-Dihydrat -107,4 mg/l ~ -1°dH +232,78 mg/l Calcium +557,93 mg/l Sulfat
Calciumchlorid-Dihydrat -91,7 mg/l ~ -1°dH +272,60 mg/l Calcium +482,28 mg/l Chlorid
Magnesiumsulfat-Heptahydrat 307,7 mg/l ~ -1°dH +98,59 mg/l Magnesium +389,73 mg/l Chlorid
Natriumchlorid 0°dH +393,39 mg/l Natrium +606,66 mg/l Chlorid
Natriumhydrogencarbonat +30 mg/l ~ +1°dH +273,66 mg/l Natrium +726,34 mg/l Hydrogencarbonat

Damit sollte man alle Werkzeuge in der Hand haben, um das passende Brauwasser an die obigen Bierstile anzupassen. Ich hab auch die Berechnungen zum Experimentieren in meine Tabellenkalkulation mit aufgenommen .

Links:
https://github.com/sky4walk/brew_recipes/raw/master/BrauBerechnungen.ods
https://zwieselbrau.wordpress.com/2016/06/18/brauwasser-aufbereiten/
https://www.amazon.de/Transparentes-Filtergeh%C3%A4use-10-mit-IG/dp/B00U14U1YA
https://www.amazon.de/Wasserfilter-Mischbettharz-Ionenaustausch-Enth%C3%A4rterharz-Wasserenth%C3%A4rtung/dp/B089MC8B94
https://www.amazon.de/VARIOSAN-Stecksystem-Hahnanschluss-Innengewinde-Messing/dp/B07PTTG31G
https://www.amazon.de/Mischbettharz-Purolite-400-zur-Wasservollentsalzung/dp/B07D37YRLS
https://www.amazon.de/VARIOSAN-Stecksystem-Hahnanschluss-Au%C3%9Fengewinde-Messing/dp/B07PTRLF7S
https://www.amazon.de/Rolle-Teflonband-Gewindedichtband-Meter-Dichtband/dp/B01KK63SS4
https://www.amazon.de/Osmoseanlage-Trinkwasser-Leitwertmessger%C3%A4t-Thermometer-Leitf%C3%A4higkeitsmessger%C3%A4t/dp/B074FH11FQ

Von der Wasseranalyse zum Brauwasser


https://www.youtube.com/watch?v=Hag_8lsIKxg
https://www.stadtwerke-schwabach.de/Kopfnavigation/Netze/Wassernetz/Wasseranalyse.html

Klicke, um auf Analysewerte-des-Trinkwassers-Wolkersdorf-Dietersdorf-Ober-und.pdf zuzugreifen


Klicke, um auf analysewerte-des-trinkwassers-wolkersdorf-dietersdorf-ober-und.pdf zuzugreifen


https://www.aquariumforum.de/threads/75419-multimeter-als-leitwertmessgeraet
https://de.wikipedia.org/wiki/Leitf%C3%A4higkeitsmessger%C3%A4t
https://www.amazon.de/Genebre-Innengewinde-Aussengewinde-Kugelabdichtung-dichtschlie%C3%9Fend/dp/B00NVGNDTA/ref=sr_1_1
https://de.wikipedia.org/wiki/Magnesiumsulfat
https://de.wikipedia.org/wiki/Calciumchlorid
https://de.wikipedia.org/wiki/Gips
https://de.wikipedia.org/wiki/Calciumsulfat
https://de.wikipedia.org/wiki/Nitrate
https://www.amazon.de/Unbekannt-30016203-Bittersalz-Pulver-250/dp/B00C4KGHNI
https://www.amazon.de/Calciumchlorid-fl%C3%BCssig-33-ige-L%C3%B6sung-Gerinnungsmittel/dp/B00JKJLK8S
https://www.hobbybrauerversand.de/Braugips-Kalziumsulfat-100-g
https://aft-shop.de/kartusche-mischbettharz?number=AFT10022&gclid=EAIaIQobChMI3buhzOze7gIVCWgYCh0KwAsAEAYYByABEgKTQPD_BwE
https://de.wikipedia.org/wiki/Mischbettfilter
https://www.aqmos.com/filtermedien-ionenaustauscher/ionenaustauscher-harze/300/mischbettharz-purolite-mb-400-zur-wasservollentsalzung
http://hobbybrauer-kompendium.de/c/calciumchlorid/calciumchlorid.html
http://hobbybrauer-kompendium.de/s/sulfat/sulfat.html
https://ezwatercalculator.com/
https://hobbybrauer.de/forum/viewtopic.php?t=9755
https://www.amazon.de/100g-Kalziumsulfat-Calcium-Sulfat-Brausalz-Wasserbehandlung/dp/B01LYYDVUF
https://www.amazon.de/sera-04210-kH-Test-Bestimmung-Karbonath%C3%A4rte/dp/B0013ZEFPW
https://friediesbrauhaus.blog/
https://www.bingo-ev.de/~kh3515/kh_test.html
https://de.wikipedia.org/wiki/Methylorange
https://de.wikipedia.org/wiki/Salzs%C3%A4ure
https://de.wikipedia.org/wiki/Natriumhydrogencarbonat
http://www.besser-bier-brauen.de/selber-bier-brauen/zutaten/wasser/index.html
https://www.amazon.de/Wasserfilter-Wasseraufbereitung-Leer-Kartusche-Zoll/dp/B013OZ01OC

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