User Tools

Site Tools


Sidebar

Содержание

История

Ингредиенты

Технология

Кулинария, блюда к пиву и из пива

Остальное

растворение_мела

Водоподготовка с применением растворенного мела

Для приготовления воды с временной жесткостью (щелочность и кальциевая жесткость) нужен мел (CaCO3). Однако, мел не слишком хорошо растворяется в воде и большая часть добавляемого мела ложится на дно в виде осадка или плавает в нерстворенном виде. Эта статья расскажет, как можно растворить нужное количество мела.

О меле и карбонатной системе

Если вам лень разбираться с химическими принципами растворения мела, можете спокойно пропустить теоретическую часть.

Мел или по-научному карбонат кальция (CaCO3) представляет собой соль угольной кислоты и состоит из ионов кальция (Ca2+) и карбоната (CO32-). Если мы что-то и знаем о меле, так то, что он очень плохо растворяется в воде. Это потому, что продукт растворимости между кальцием и карбонатом очень невелик. Химики описывают это так:

[Ca2+]×[CO32-] ≤ Ksp = 3.36×10-9

Названия в квадратных скобках ([]) показывают концентрацию конкретных ионов. Из этой формулы видно, что вода может содержать в растворе кальций и карбонат до тех пор, пока их концентрация меньше или равна 3.36×10-9 (0.00000000336). Если концентрация повышается, карбонат кальция начинает выпадать в осадок до тех пор, пока не будет удалено достаточно кальция и карбоната, чтобы соответствовать уравнению.

Но как же тогда растворить мел в воде? Это можно сделать, удалив карбонат, который добавляется в воду с мелом. Чтобы разобраться с этим, давайте взглянем на угольную кислоту и карбонатную систему. Угольная кислота образуется при двуокиси углерода в воде. Не вся двуокись углерода (CO2) образует угольную кислоту, но только часть, согласно этому химическому уравнению:

Преобразование угольной кислоты в карбонат

Рисунок 1 - Преобразование угольной кислоты в карбонат через образование бикарбоната и обратно в угольную кислоту

CO2 + H2O ↔ H2CO3

Знак "↔" означает, что реакция протекает в обе стороны — туда и обратно. То есть, угольная кислота непрерывно образуется и разрушается, выделяя CO2. Однако, всегда есть некоторое специфическое количество CO2, связанного как угольная кислота. Очень интересно, что угольная кислота — это слабая кислота, которая может высвобождать до двух протонов (H+). Мы рассматривали слабые кислоты в разделе "слабые кислоты и основания" в статье «Обзор pH», там говорилось о зависимости pH1) от способности среды высвобождать или принимать протоны. Когда угольная кислота теряет один протон, он становится ионом бикарбонатом.

H2CO3 ↔ HCO3- + H+

Этот процесс обратим. То есть, если ион бикарбонат принимает протон, он превращается в угольную кислоту.

Когда ион бикарбонат теряет еще один протон, он становится карбонатом.

HCO3- ↔ CO32- + H+

Как это происходит, видно на рисунке 1. Мы говорили выше, что относительная концентрация этих трех разновидностей карбоната зависит от pH, ведь именно pH определяется количество доступных H+. Чем их больше, тем больше в растворе угольной кислоты. И чем их меньше, тем больше в нем карбонатов. На рисунке 2 эта относительная концентрация показана, как соотносится % содержания всей угольной кислоты + бикарбонатов + карбонатов с диапазоном pH от 0 до 14.

Растворение угольной кислоты

Рисунок 2 - Зависимость относительной концентрации угольной кислоты, бикарбонатов и карбонатов от pH раствора. Рекомендованный EPA (Environmental Protection Agency - Агентство по защите окружающей среды) pH питьевой воды находится между 6.5 и 8.5.

Но как все это связано с растворением мела? Что ж, выше мы увидели, что необходимо удалить карбонаты, которые переходят в воду при растворении мела, чтобы позволить мелу растворяться дальше. Это делается превращением карбонатов в бикарбонаты. Этот процесс поглащает протоны. Те самые протоны, которые так нам нужны, чтобы помочь растворить мела больше, чем вода способна без посторонней помощи.

Чтобы получить эти протоны, нам нужно добавить кислоты. В конце-концов, именно это кислота и делает: добавляет протоны и в результате снижает pH раствора. Что касается кислоты, обычно мы можем выбирать только одно из двух: угольную кислоту или любую другую кислоту. Давайте посмотрим, что будет, если добавим какую-нибудь отличную от угольной кислоту. Например соляную кислоту, которую можно разделить в воде на протон (H+) и ион хлора (Cl-):

2H+ + 2Cl- + CaCO3 → H2O + CO2 + 2Cl- + Ca2+

В результате реакции между соляной кислотой и мелом мы получим воду, CO2 (который улетучится), хлор (Cl-) и кальций (Ca2+). Посмотрев на результат наших манипуляций, мы увидим, что гораздо проще было сделать аналогичную водоподготовку просто добавив хлористый кальций в виде соли. Одна из причин того, почему мы хотим растворить мел в воде — это желание желание получить более щелочную воду, которая получается благодаря повышению концентрации ионов карбоната и бикарбоната. Если содержание карбонатов и бикарбонатов в воде не меняется, щелочность воды так же остается неизменной.

Все кислоты, кроме угольной, не годятся. Так, а что же угольная кислота? Когда угольная кислота становится бикарбонатами, она теряет протоны, которые могут превратить ионы карбонаты, добавленные с мелом, в бикарбонаты. Вот, как это выглядит:

H2CO3 → HCO3- + H+

HCO3- + H+ + CaCO3 → Ca2+ + 2HCO3-

Растворимость CaCO3

Рисунок 3 - Давление CO2 необходимое для достижение определенной концентрации мела при растворении в воде. Обратите внимание, что обе оси — X и Y имеют отметки по логарифмическое шкале (данные из статьи о растворении мела в Википедии).

Молекула мела распадается на ион кальция и ион бикарбоната. Другой ион бикарбоната поступает из угольной кислоты, которая теряет протон. Благодаря тому, что этот протон был потрачен на растворение мела, мы можем сказать, что эта самая молекула мела отвечает и за создание этого иона бикарбоната. В итоге получается, что одна молекула мела, при растворении в угольной кислоте дает один ион кальция и два иона бикарбоната.

Получение угольной кислоты в воде так же просто, как растворение в ней CO2. Выше мы видели, как растворяясь в воде CO2 формирует угольную кислоту. Однако, чтобы растворить достаточное количество мела, необходимо гораздо большая концентрация CO2, чем может существовать при атмосферном давлении. Из опыта карбонизации пива мы знаем, что содержание CO2 в пиве зависит от температуры и давления CO2. То же справедливо и для воды: чем выше давление CO2, тем большее его количество растворяется. При помощи нескольких уравнений химического равновесия можно определить, какое давление CO2 нужно для растворения необходимого количества мела. На рисунке 3 видно как относится давление CO2 к количеству мела, способному раствориться в воде. Заметьте, что оби оси — и X и Y логарифмические и кажущиеся линейным отношение на самом деле почти кубическое. Проще говоря, это означает, что для растворения больше, чем ~800 ppm2) CaCO3, в воде не практично, так как требует такого сильного давления CO2, какое не может быть получено в бытовых условиях. Не забывайте об этом, когда будете растворять весь мел нужный для очередной партии пива в небольшом объеме воды.

Зачем растворять мел

Диаграмма зависимости pH от концентрации мела

Рисунок 4 - pH затора сделанного на воде подготовленной из дистиллированной воды и различного количества мела. Часть графиков относится к воде с растворенным посредством CO2 мелом, другая к мелу, который добавлялся не растворенным.

Теперь, когда мы знаем, как растворять мел, пришла пора спросить себя, зачем все эти сложности. Тем более, что затор и так дает кислую среду, которая должна растворить любой мел, недорастворившийся в воде. При pH затора (~5.5) меньше, чем 0.00005 % карбонатной системы — карбонаты.

Однако, эксперименты с pH затора, проводившиеся с растворенным и взвешенным мелом показали, что способность взвешенного, т.е. не растворенного, мела повышать pH затора ограничена. Как видно на рисунке 4, не растворенный мел не способен повышать pH затора больше, чем на 0,2 единицы. Причем зависимости от кислотности солода не наблюдается: для солода Пилснер и для мюнхенского солода кривые аналогичны. Растворенный же мел, с другой стороны, демонстрирует замечательно линейное влияние концентрации мела на pH.

Я провел эксперимент с двумя аналогичными заторниками, когда варил Schwarzbier. В одном из заторников использовалась вода с растворенным мелом, в другом со взвешенным. Основываясь на исследованиях pH затора, я знал, что, при использовании растворенного мела, должен брать его вдвое меньше для получения тех же значений pH. Что и было подтверждено экспериментом.

Если вы хотите варить пиво следуя Reinheitsgebot — немецкому закону о чистоте пива, вам придется растворять мел. Согласно этому закону, добавление солей или воды, которая не соответствует питьевым стандартам, недопустимо.

Водоподготовку с растворением мела смело можно считать продвинутой техникой для умелого пивовара. Я сварил немало прекрасного пива, добавляя прямо в затор или в воду, не растворенный мел, и только недавно стал растворять его заранее. Как и в случае с другими техниками, пивовар сам должен решать, стоит ли эта техника дополнительно потраченных на нее усилий.

Как растворить мел при помощи газированной воды

Чтобы сварить Kaiser Alt, мне нужно скопировать водный профиль Дюссельдорфа, города где варится большинство немецких Альтов. Одина из наиболее известных своими альтами пивоварен Zum Uereige, однако, не пользуется городской водой. Согласно этому интернет отчету, воду для варки пива они берут из собственного артезианского колодца. С другой стороны, водопроводная вода Дюссельдорфа – тщательно очищенная и обработанная вода из реки Рейн.

Согласно данным отчета по Дюссельдорфской воде, остаточная щелочность их воды – 108 миллиграмм CaCO3 на литр или 6.1 dH 3). Такая остаточная щелочность прекрасно подходит для варки темно-янтарного пива, такого, как Альтбир и я допускаю, что большинство пивоварен Дюссельдорфа используют водопроводную воду без каких-либо изменений.

Процесс шаг за шагом

Рассчет добавочных солей

Чтобы правильно рассчитать добавочные соли, вам потребуется водный отчет, в котором указана текущая концентрация растворенного мела. В большинство отчетов мел не входит, так как принято допущение, что каждая молекула мела вносит только один ион бикарбонат. Вы можете проверить это утверждение, добавив 1 грамм мела в литр воды. Если полученная щелочность (не остаточная) будет 490-500 мг/л CaCO3, то задействована только половина способности мела к ощелачиванию и мел предположительно не растворился в воде. Мой калькулятр пивоваренной воды поддерживает оба вида мела: растворенный и не растворенный. Обычно растворенного мела требуется вдвое меньше, чем взвешенного, для получения той же остаточной щелочности воды.

Шаг 1

Во вкладке "advanced" введите начальный водяной профиль. Я пользуюсь фильтром обратного осмоса, что дает очень мягкую воду, анализ которой для меня проводили в лаборатории. Если вы так же пользуетесь фильтром обратного осмоса, но анализов своей воды не делали, просто оставьте везде 0. Концентрация ионов в воде настолько мала по сравнению с той, которая будет после водоподготовки, что отклонения будут слишком малы, чтобы иметь значения.

Dissolving chalk base water

Шаг 2

Поглядывая на таблицу "resulting water profile"4) (находится ниже или правее) введите концентрацию пивоваренных солей. Указывать конечный вес добавляемых солей с учетом количества воды, предполагаемой для варки, было бы не удобно, вместо этого вводите значения в ppm5)(или мг/л, что то же самое). Это позволяет рассчитывать "рецепт воды" не зависимо объема необходимой воды. Как только определитесь с нужным вам объемом воды, введите его в таблице "Water use" и калькулятор сам рассчитает веса добавляемых солей относительно объема и покажет их чуть ниже.

Dissolving chalk salts

Шаг 3

Посмотрите на профиль полученной воды "resulting water profile". Если вы сравните его с профилем Дюссельдорфа, о котором мы говорили выше, то увидите, что они очень похожи. Так везет не всегда, так как пивовару доступен не весь спектр комбинаций катионов6) и анионов7), то есть разнообразных солей. В этом случае следует сосредоточить внимание на соответствии остаточной щелочности и содержании кальция, сульфатов и хлора в воде.

Dissolving chalk resulting water

Шаг 4

Теперь настало время ввести общий объем воды8) и объем воды в заторнике9). Калькулятор рассчитает объем промывной воды исходя из этих данных. Так же вам нужно будет ввести вес зерновой засыпи10), что позволит расчитать густоту затора11).

Как только вы введете цветность пива в SRM и укажите, как много использовано жареного солода 12), станет возможным рассчитать pH затора. В нашем случае это — 5,5, что превосходно вписывается в допустимый диапазон 5,2 — 5,7. Внизу справа таблица pH затора отображает так же расчетное количество остаточной щелочности (RA), которая понадобится для достижения pH 5,2, 5,4 и 5,6. Широкий диапазон требуемого добавочного CaCO3: от -100 до 200, демонстрирует, насколько разная вода может быть использована для варки пива с цветностью 20 SRM и густотой затора 4 л/кг.

Dissolving chalk pH estimate

Шаг 5

Необходимое количество солей рассчитывается исходя из объема воды, определенного раньше. Так как я не имею возможности подготовить сразу всю необходимую мне воду сразу, я вынужден готовить заторную и промывную воду раздельно. Но для тех, кто может себе позволить сделать всю воду разом, калькулятор подсчитывает соли так же и для всего объема.

Поскольку мы говорим о растворении мела, для нас наибольший интерес представляет секция "dissolving chalk"13). Вы вводите в ней объем воды, в котором планируете растворять мел, и калькулятор высчитывает давление CO2 потребное для растворения нужного количества мела. Бросается в глаза нелинейность отношения между концентрацией мела и давлением, которое растет с огромной скоростью, как только концентрация мела достигает границы в 750-800 ppm. Практически, эта концентрация является верхней границей растворимости мела и для того, чтобы растворить больше мела, вам придется растворять его в большем объеме воды.

По-возможности, я предпочитаю растворять мел в 2 л. бутылках их под газированной воды, что и проделал в данном случае. Я использовал 1,9 л. для растворения мела под заторную воду и 1,6 л. для промывной воды и мне потребовалось давление всего в 1,55 бар (23psi) и 1.38 bar (20 psi) соответственно. Это абсолютные значения, что означает, что атмосферное давление так же входит в эти цифры, иными словами, когда я подаю углекислый газ в бутылки, мой манометр должен показывать >0.55 бар (> 8 psi) и >0.38 бар (> 6 psi), так как он измеряет давление, которое превышает атмосферное.

Количество растворяемого мела

Приготовление пивоваренной воды

Рисунок 5. Нобходимые вещи: 2 л. бутылки, газирующий колпачок, воронка, отмеренное количество солей и вода. Я написал на бутылках номер варки, для которой готовлю воду, а так же пометил для промывной или заторной воды готовлю "рассол".
Рисунок 6. Вставляем воронку в бутылку и ссыпаем через нее соли в бутылку.
Рисунок 7. Вливаем воду. Вода смоет в бутылку все остатки солей, которые налипли на воронку. Даже, когда требуемый объем воды приближается к 2 л., не заполняйте бутылку под горлышко, оставляйте пространство, чтобы облегчить растворение углекислоты в воде.
Рисунок 8. Установите газирующий колпачок, откройте его и выдавите весь лишний воздух из бутылки. Удаление воздуха и замена его CO2 позволит растворяться углекислоте намного эффективнее, так как все свободное пространство будет заполнено CO2.
Рисунок 9. Пустите в бутылку CO2 через регулятор и тщательно потрясите бутылку, для лучшего его растворения. Продолжайте трясти бутылку до тех пор, пока газ поступает в нее. После того, как вода загазируется, если необходимо, долейте воды и загазируйте снова. Проделайте все то же самое с другой бутылкой.
Рисунок 10. После того, как вода постоит немного, она должна стать прозрачной. Немного мути допустимо, но никакого осадка мела на дне, который снова делает воду мутной при вcтряхивании, наблюдаться не должно. Если вода не осветляется, отлейте половину бутылки в другую, удвоив количество воды, и загазируйте снова. Возможно концентрация мела слишком велика, чтобы растворить его весь при доступном вам давлении CO2.
Рисунок 11. За день до или непосредственно в день варки я смешиваю рассол с остальной водой отфильтрованной обратным осмосом, чтобы получить желаемый объем заторной воды, а чуть погодя то же делаю и для промывной воды. Несмотря на то, что CO2 теперь получил возможность уходить из раствора, мел не будет выпадать в осадок слишком быстро. Поскольку он растворен теперь в очень большом объеме, ему потребуется много времени, чтобы достаточное для выпадения в осадок мела количество CO2 покинуло раствор. Вы увидите, что при нагревании CO2 выходит более интенсивно, но до тех пор, пока вода не кипит, в ней сохраняется достаточно CO2, чтобы удерживать мел в растворенном виде.
Рисунок 12. Если вы измерите pH полученной воды, то , увидите что он выше, чем можно было бы ожидать от достаточно щелочной воды. Такой низкий pH — результат присутствия большого количества угольной кислоты, однако, это не влияет на щелочность воды. Я проверял щелочность и жесткость воды при помощи набора «GH&KH test kit» и получил такие результаты: жесткость 15 dH (270 ppm CaCO3) и щелочность 10 dH (180 ppm CaCO3), что вполне соответствует желаемым результатам.

Вместо бутылок для растворения мела можно пользоваться кегами типа корнелиус. Большое их преимущество в объеме, благодаря которому концентрация растворенного мела в них гораздо меньше, а следовательно ниже и давление CO2, необходимое для растворения. К недостаткам можно отнести отсутствие возможности наблюдать процесс растворения, так как стенки кегов не прозрачны. Однако, благодаря повышенному объему и меньшему требуемому давлению CO2, вероятность того, что мел в кеге растворится без остатка, гораздо выше по сравнению с 2 л. бутылками.

Источники

[deLange] A. J. deLange, Alkalinity, Hardness, Residual Alkalinity and Malt Phosphate: Factors in the Establishment of Mash pH, 2004

[EPA] epa.gov, Secondary Drinking Water Regulations


Перевод: Gmarapet 21/07/2010 11:42

Исходный вариант статьи: Building brewing water with dissolved chalk

1) Водородный показатель
2) частей на миллион
3) dH – немецкая единица жесткости
4) профиль полученной воды
5) частях на миллион
6) позитивных ионов
7) негативных ионов
8) total water volume
9) strike water volume
10) total grist weight
11) mash thickness
12) roasted malts
13) растворение мела
растворение_мела.txt · Last modified: 2011/04/07 16:10 by gmarapet