Water: A Comprehensive Guide for Brewers. John Palmer and Colin Kaminski
A todos aquellos que generosamente han compartido su conocimiento y pasión para hacer cerveza conmigo, gracias a ustedes por permitirme devolver el favor.
John
Me gustaría agradecer a todas aquellas personas que creyeron en mi y permitieron hacer mi vida posible. También me gustaría agradecer a todas aquellas personas que no creyeron en mí y me dieron el motivo para alcanzar mis logros. Colin
Índice
Prefacio. ............................................. ..................................................................... ..................................... .............7 Todo un libro sobre el agua para elaborar cerveza. ................. 14 Panorama Panorama del agua como ingrediente ingrediente.. ................................................................................ ................................................................................ 18 Panorama Panorama de la química del agua y el macerado. ............................................................. ................................................................ ... 19 Panorama del tratamiento del agua para elaborar cerveza. ................................................. 20
¿De dónde viene tu agua? .............................................. ...................................................... ........ 25 El ciclo del agua................................................................... ..................................................................................................... ................................................ ............. 25 Fuentes Fuentes de agua y mineralización mineralización.. ............................................................. ....................................................................................... .......................... 26 26 Una nota rápida sobre el pH y buffers. buffers. .............................................................................. ................................................................................ .. 27 Precipitacione Precipitaciones. s.................................................................... ...................................................................................................... ................................................ ............. 28 Agua superficia superficial........................ l........................................................... ....................................................................... ........................................................ .................... 29 Agua subterráne subterránea. a............................................................................................ ............................................................................................................... .................... 31 De la fuente fuente a la canilla. ................................................................. ..................................................................................................... ...................................... 34 ¿Cloro o cloramina? cloramina? ....................................................................... .......................................................................................................... ..................................... .. 35
Cómo leer un reporte de agua. ............................................ ............................................... ... 37 ¿Qué es un ion? .................................................................. ..................................................................................................... ................................................ ............. 38 Parámetros de un reporte de calidad de agua. .................................................................... 39 Estándare Estándaress primarios................ primarios.................................................... ....................................................................... ....................................................... .................... 43 Normas secundarias secundarias........................................................................ ......................................................................................................... ..................................... .. 49 Normas no reguladas reguladas /estéticas. /estéticas. ....................................................................................... ......................................................................................... .. 54 ¿Qué es un mol? ............................................................................................. ................................................................................................................. .................... 60 Dureza del agua, alcalinidad y mini equivalentes. ................................................................ 61 Referencias. Referencias. ....................................................................... ........................................................................................................... ................................................. ............. 64
Alcalinidad Alcalinidad residual y el macerado. macerado. ........................................ 65 Alcalinidad Alcalinidad del agua. ...................................................................... ......................................................................................................... ..................................... .. 68 Constantes Constantes de equilibrio...... equilibrio.......................................... ...................................................................... ............................................................ ..........................70 Precipitación del fosfato del calcio en el macerado. ............................................................ 73 Alcalinidad Alcalinidad residual. residual. ....................................................................... .......................................................................................................... ..................................... .. 74 Refinamiento Refinamiento de RA. ...................................................................... ......................................................................................................... ..................................... .. 77 Referencias. Referencias. ....................................................................... ........................................................................................................... ................................................. ............. 79
Alcalinidad residual, acides de la malta y pH del macerado. .... 81 Maltas Maltas y su color. ..................................................................... ......................................................................................................... ........................................... ....... 82 Color de la malta. ........................................ ........................................................................... ...................................................................... ..................................... .. 83 Acides de la malta. ............................................................ ................................................................................................. .................................................. ............. 85 Una discusión de la acides y alcalinidad de la malta. ............................................................ 87 Nota sobre pH metros y compensación automática por temperatura (ATC). ...... .............. ....... .......... ... 92 Determinar la alcalinidad del agua en el macerado.............................................................. 96 Introduciend Introduciendo o la alcalinidad alcalinidad residual residual Z (Z RA). ..................................................................... ..................................................................... 99 La hipótesis hipótesis para predecir predecir el pH del macerado. ................................................................. ................................................................. 100 Referencias. Referencias. ....................................................................... ........................................................................................................... ............................................... ........... 102
Controlando la alcalinidad............... alcalinidad...................................... ..................................... .............. 104 Declaración Declaración de no-adheren no-adherencia. cia........................................................................................... ..........................................................................................104 Reducción Reducción de la alcalinidad. alcalinidad. ................................................................. .............................................................................................. ............................. 106 Dilución Dilución con agua RO. .................................................................... ....................................................................................................... ................................... 106 Hervido. Hervido. .................................................................. ...................................................................................................... .......................................................... ...................... 107 Ablandado Ablandado con cal. ......................................................................... ............................................................................................................ ................................... 112 112 El método de A. J. deLange para usar la descarbonatación con cal apagada en casa. ...... ......... ... 114 Reducir Reducir la alcalinidad alcalinidad con acido................................................................... ........................................................................................ ...................... 114 Seguridad con los ácidos: palabras de precaución para los ácidos Fuertes (y bases)... ........ ....... . 117 Ácidos minerales. minerales...................................................................... ......................................................................................................... ......................................... ..... 117
Ácidos orgánicos. orgánicos. ..................................................................... ......................................................................................................... ......................................... .....120 Acidificación Acidificación del agua de macerado macerado y lavado. lavado. ....................................... .................................................................... ............................. 123 Precipitación Precipitación del calcio debido al acido fosfórico. fosfórico............................................................... .............................................................. 127 Agregando Agregando alcalinidad. alcalinidad.................................................................... ...................................................................................................... ...................................127 Agregando Agregando bicarbonato bicarbonato de sodio. ............................................. ................................................................................. ......................................... ..... 128 Los problemas problemas de agregar tiza. ................................................. ..................................................................................... ......................................... ..... 131 131 Una discusión más profunda del comportamiento del carbonato c arbonato en el macerado. ............ ...... ...... 133 Agregar hidróxido de calcio (cal apagada). apagada). ................................................................... ........................................................................ ..... 135 Agregar hidróxido de sodio o potasio. potasio. ............................................................................... ............................................................................... 137 Referencias. Referencias. ....................................................................... ........................................................................................................... ............................................... ........... 139
Ajustando el agua para los estilos. ....................................... ....................................... 141 Como elaborar elaborar seriamente seriamente una buena cerveza. cerveza. ............................................... ................................................................. .................. 142 142 Aguas históricas, históricas, tratamient tratamientos os y estilos. estilos. ............................................................................ ............................................................................ 142 El balance balance de los mili-equivalen mili-equivalentes. tes. ........................................................... ................................................................................... ........................ 143 El dogma del agua virgen. .................................................................... ................................................................................................. ............................. 146 El rol del calentamient calentamiento o en la descarbona descarbonatación tación.. ............................................. ............................................................... .................. 147 El rol de la ley Reinheitsgeb Reinheitsgebot. ot. .................................................................... .......................................................................................... ...................... 148 Efecto Efecto de los iones en el sabor. sabor. ................................................................... ......................................................................................... ...................... 149 Relación sulfato-clo sulfato-cloruro. ruro. ...................................................................... ................................................................................................... .............................152 Hacer el agua para la elaboración de cerveza desde cero. ................................................. 153 Eligiendo Eligiendo el agua para el estilo. estilo. ................................................................... ......................................................................................... ...................... 156 Ajustando Ajustando el agua para ajustarse ajustarse al estilo..................................................................... ......................................................................... ..... 162 162 Calculando Calculando la alcalinidad alcalinidad residual. residual. .................................................................... ..................................................................................... ................. 163 Haciendo Haciendo una American American Pale Ale. ........................................................ ...................................................................................... .............................. 164 Elaborando Elaborando una cerveza cerveza Pilsner. Pilsner. ............................................................................. ........................................................................................ ........... 169 Elaborando Elaborando una Foreign Extra Stout. Stout. ...................................................................... ................................................................................. ........... 171 171 Perfiles Perfiles de agua y la caja negra.................................................................... ......................................................................................... ...................... 179
Referencias. Referencias. ....................................................................... ........................................................................................................... ............................................... ........... 181
Tecnologías para el tratamiento de la fuente de agua para cervecería. .............................................. ...................................................................... ............................. ..... 182 Remoción de sólidos suspendidos. Filtración mecánica. .................................................... 183 Removiendo sólidos disueltos. Hierro y manganeso. ......................................................... 184 Removiendo sólidos disueltos. Intercambio iónico. ........................................................... 185 Intercambio Intercambio iónico. iónico. Reactores Reactores de cama mixta. .................................................................. .................................................................. 189 189 Remover sólidos disueltos. Nano filtración y osmosis inversa. ........................................... 190 Remoción de líquidos y gases contaminantes. Cloro. ......................................................... 194 Remoción Remoción de cloro/cloramina cloro/cloramina con meta bisulfito. ............................................................. ............................................................. 196 Remoción Remoción de cloro. Degradación Degradación UV. ..................................................................... ................................................................................ ........... 198 Remoción de contaminantes orgánicos. Carbón activado. ................................................. 199 Remoción de gases disueltos. Desgasificación. .................................................................. 202 Resumen. Resumen...................................................................... ......................................................................................................... ..................................................... ................. 203
El agua en los procesos de la cervecería.......................... cervecería................................ ...... 205 El agua para elaborar elaborar cerveza. cerveza...................................................................... ........................................................................................... ...................... 206 Agua de lavado y enjuague. enjuague................................................................... ............................................................................................... ............................. 206 Notas sobre Agua de lavado y enjuagado. enjuagado. .................................................................... ......................................................................... ..... 208 Silicatos. Silicatos................................................................... ...................................................................................................... .......................................................... ...................... 208 Licor frio................................................ frio................................................................................... ....................................................................... ......................................... ..... 208 Propiedades Propiedades del propilenglic propilenglicol ol .................................................................... .......................................................................................... ...................... 210 Caldera y agua de alimentació alimentación n de caldera. caldera................................................................... ....................................................................... ..... 211 211 Envasado. Envasado. .................................................................... ........................................................................................................ ..................................................... .................214 Empujado Empujado del producto. producto............................................................................. .................................................................................................... ........................215 Agua de dilución. dilución. ..................................................................... ......................................................................................................... ......................................... ..... 216 Resumen. Resumen...................................................................... ......................................................................................................... ..................................................... ................. 218
Tratamientos del agua residual en la cervecería. .................. 219
¿Qué es el agua residual? residual?..................................................................... .................................................................................................. ............................. 220 ¿Por qué tratamos tratamos el agua residual? residual? ...................................................................... ................................................................................. ........... 221 ¿Cómo es tratada tratada el agua residual? residual? ................................................ ................................................................................... ................................... 223 Remoción Remoción de sólidos suspendido suspendidos. s. ................................................................... .................................................................................... ................. 224 Tanque Tanque de Ajuste de pH/estabilizac pH/estabilización. ión. .................................... ........................................................................ ......................................... ..... 224 Filtración Filtración de partículas partículas finas. .............................................. .................................................................................. ............................................... ........... 225 Digestión. Digestión...................................................................... ......................................................................................................... ..................................................... ................. 227 Tratamiento Tratamiento aeróbico........................... aeróbico............................................................... ........................................................................ ......................................... ..... 228 Tener cuidado de los aceites del lúpulo y sanitizantes. ...................................................... 229 Biorreactor Biorreactores es de membrana membrana (MBR). ....................................................................... .................................................................................. ........... 230 Tratamiento Tratamiento anaeróbico. anaeróbico.................................................................................................... ...................................................................................................231 Deshidrata Deshidratación ción del sedimento. sedimento.......................................................................... .......................................................................................... .................232 Resumen. Resumen...................................................................... ......................................................................................................... ..................................................... ................. 233
Apéndice A. Glosario químico y cebador............................... .............................. 234 Apéndice B. Acidificación del agua de lavado o de elaboración de cerveza. ............................................. ..................................................................... ............................. ..... 247 Apéndice C: Cálculos Cálculos de iones, sales y ácidos. ....................... ....................... 256 256 Apéndice D: Balance de cargas del agua y distribución de especies de carbonatos. carbonatos. ..................................................... ....................................................... .. 265
Prefacio. He estado envuelto en la elaboración de cerveza por tal vez 40 años y en ese tiempo he adquirido varios libros. Algunos de ellos incluyen Malt and malting de Brigg, Hops de Neve, Yeast de White y Zainasheff, The practical guide to beer fermentation y Water and Spentwater chemestry de Jackson. Estos libros contienen información valiosa sobre los principales material usados para hacer cerveza, pero los primeros tres están claramente escritos para cerveceros. El cuarto no. La palabra “brewing” si siquiera aparece en el índice. Lo mismo es cierto para varios libros referidos al agua y a las levaduras (aunque “brewing” es mencionado en la mayoría de los libros sobre
levaduras). Tengo muchos libros sobre agua, pero ninguno sobre el agua en la ). Vos sí. Lo estas teniendo en tus manos, y tan producción de cerveza (“brewing water” ). rápido como mi copia llegue de la imprenta, yo también. El mío va a ir en el espacio reservado por mí, al lado de los libros sobre levaduras, lúpulos y malta. Porque ha tardado tanto tanto en tener un libro sobre sobre el agua para la elaboración elaboración de cerveza sobre el estante? Simple, es difícil escribir uno! Hablo por la experiencia. He tratado de tanto en tanto de escribir un libro sobre este tema y he encontrado que es muy intrincado, diciendo que estaba peleando con “Hydra”. Cada vez que una cabeza era cortada, dos le crecían de vuelta. Estoy bastante seguro que si le preguntas a Jhon o Colin en una conferencia o en cualquier lado si la tarea resulto ser mas desalentadora desalentadora de lo que esperaban, la respuesta seria que si! Luego está la cuestión de los lectores. No estoy seguro de cuanta puede estar interesada en un libro así hace 40 años. La demanda es fuerte ahora. He tenido muchas consultas “ ¿cuando sale el libro sobre agua?”. Creo que la razón de esto es
que la sofisticación de los hobbistas y cerveceros artesanales avanzo dramáticamente, dramáticamente, y esto lo atribuyo al os avances en tecnología. Las 4 tecnologías que tengo en mente son las computadoras, sistemas de osmosis inversa, pH metros e Internet. Todas estaban bien establecidas 40 años atrás menos internet. Mientras que las tres primeras no son nuevas tecnologías, se han logrado grandes mejoras en el rendimiento acompañadas por un dramático disminución del valor. Dejemos de lado
en la discusión la influencia influencia de RO y pH metros metros por el momento momento y coméntennos coméntennos sobre la influencia de internet y, necesariamente, las computadores por las cuales tenemos acceso. Hace cuarenta años, el estado del arte del agua para la elaboración de cerveza se encontraba en unos pocos capítulos en un par de textos sobre elaboración de cerveza, pero era suficiente para estimular el interés de cerveceros que pensaban en el problema, haciendo análisis y experimentos y comunicándose con otros a través de internet (conozco a los autores por la red años antes de conocerlos en persona). Como la discusión era mantenida a través de un medio público, otras personas la vieron, se interesaron y comenzaron a experimentar y calcular también. No creo que el nivel de actividad hubiese sido tan alto y lo sigue siendo, si no fuese por internet. A medida que el “trafico” se iba acumulando, más gente se daba cuenta y los artículos comenzaron a
aparecer en revistas como Brewing Techniques, The New Brewer y Cerevesia, como también en varios sitios web. Con el tiempo se dio que la química y la matemática asociados a la ingeniería eran intrincados (mas sobre esto después), podían quedar escondidos del usuario promedio en una hoja de cálculo o programa, que si la interface del usuario estaba bien hecha debería ser bastante simple de usar. Esto comenzó a proliferar, Probablemente he encontrado una docena, de los cuales tres se siguen usando aun hoy con frecuencia. Hay una buena cantidad de discusión relacionada al agua en los boletines sobre sistemas de elaboración de cerveza y el número de participantes parece ser grande. El salón estuvo lleno para el panel sobre agua en el Home Brewers Conference en Bellevue, 2012. En otras palabras, el conocimiento de que es lo que el agua puede hacer potencialmente por la cerveza, y el interés en ese potencial, parece ser más amplio de lo que era en el pasado. Sin embargo, no todo el mundo está a bordo. Este libro debería ayudar a atraer a muchos al tema. Si usted es uno de los que se resiste, quédate conmigo un poco mas hasta que exploremos algunos aspectos de la relación entre los cerveceros y el agua, y ver como este libro puede fortalecerte. A medida que los cerveceros progresan en su carrera, aprenden sobre malta, lúpulos y levaduras antes de adquirir un nivel similar de conocimiento sobre el agua. Hay algunas razones posibles para eso. Considerando la perspectiva de un nuevo cervecero, que tiene una amplia variedad de maltas, lúpulos y levaduras para elegir de cualquier parte del mundo. Por ejemplo, es común elaborar una clásica Bohemian
Pilsner con lúpulos y cebada malteada de la Republica Checa. Las levaduras probablemente sean de una fuente local, pero esa fuente produce una cepa importada originalmente de Republica Checa. Es, a la inversa, obvio que uno no puede importar agua de Plzen o Ceské Budějovice. Consideración es practicas para la mayoría de los
cerveceros forjan a usar el agua que está disponible en sus cervecerías (aunque algunos cerveceros caseros algunas veces obtienen el agua de locales saludables o supermercados y yo conocí un operador comercial que se hacía traer el agua en camiones). De esta forma, el cervecero es forzado a elegir entre docenas de lúpulos, maltas y levaduras, pero prácticamente no tiene opción sobre el agua. No es sorprendente que nuestro nuevo cervecero preste atención a los primeros tres y comience a hacer cerveza sin prestar mucha atención al agua. Si bien el suministro de agua municipal en países desarrollados puede no ser el ideal para hacer cerveza, uno puede hacer cervezas aceptables con la misma. Varios cerveceros hacen exactamente eso a lo largo de toda su carrera como cervecero. Porque el agua potable no parece aportar directamente directamente gustos y aromas como si lo hacen lúpulos, maltas y los productos de la fermentación, es entendible que un cervecero principiante concluya que el agua no es más que el portador de los sabores de los otros componentes de la cerveza. El cloro y cloramina en concentraciones apreciables son una excepción a esto, e incluso un cervecero no muy sofisticado suele ser consciente que estos productos deben ser tratados, existen una gran cantidad de cerveceros principiantes que hacen cerveza sin tener el más mínimo cuidad por esto. Este libro tiene mucho que enseñar a estos cerveceros. Otros cervecero, incluidos algunos muy buenos, piensan en el agua disponible en los mismo términos que los viñateros piensan en su “terroir”. Ellos hacen una decisión consciente de aceptar el agua como es, y solo hacen cervezas que trabajan bien con esa agua. Es obvio que esto es mucho más fácil si uno solo hace un tipo de cerveza que si uno tiene una gran variedad de tipos. La sección de este libro que describe las fuentes de agua y un desglose de sus componentes como se encuentra en un típico reporte sobre agua será de valor para estos cerveceros, como también las partes que describen los efectos del agua en el pH del macerado y aquellas que discuten los usos propiamente no cerveceros (limpieza, enfriado, dilución, generación de vapor, etc.) de la agua en la cervecería
Antes de salir del “terroir” debemos notar que, correcta o incorrectamente, es
dada como la razón principal que, por ejemplo, la Irish stout es una cerveza muy diferente que la Bohemian Pilsner. Cuando es claro que los lúpulos, maltas y levaduras disponibles localmente tienen algo que ver con eso, el sentido común dice que el agua tiene mucho que ver también. También debemos apuntar que la adhesión a la filosofía del “terroir” no significa que no debemos hacer nada con el agua. Las Mun ich dunkel y
Munich helles son producidas con agua de Munich y ambas tiene características atribuibles a ese agua. EN el primer caso el agua es usada tal cual es, pero en el último caso el agua es descarbonatada. A medida que la experiencia, conocimiento y contacto con otros cerveceros de un cervecero crece y el deseo de hacer muy buenas o excelentes cervezas más que solamente cervezas aceptables aumenta, su atención se tornara eventualmente hacia el agua, y así debe ser, porque las muy buenas y excelentes cervezas no pueden ser hechas sin prestar considerable atención al agua. Y acá encontramos el primer gran obstáculo en el camino para mejorar el conocimiento del agua para para la cerveza. cerveza. Comenzamos este este ensayo con la implicancia implicancia de que las fuentes de información sobre el agua aplicada a la elaboración de cerveza son difíciles de conseguir. NO es que la información no esté disponible sino que esta finamente dispersa y en lugar que poco obvios. El cervecero tendrá una fuente de todo lo que necesite saber sobre el agua si colecta una seria de textos generales sobre química inorgánica, química física, física, análisis análisis cualitativo cualitativo y tal vez bioquímica, bioquímica, algunos más específicos de química acuática, análisis y tratamiento de agua, capítulos sobre agua en textos de elaboración de cerveza, un puñado de trabajos de revistas técnicas, algunas conferencias y direcciones direcciones web. Ninguno de estas fuentes, salvo algunos de los trabajos y sitios web, es exclusiva sobre agua para par a la elaboración de cerveza y algunos, siendo algunos son difícil de leer. Encontrar las partes relevantes es como encontrar una aguja en un pajar. Escribir este libro requirió que los autores encontrar esas agujas, y lo han hecho tan bien, pero además de la extracción de pepitas de la literatura, los autores han buscado en el conocimiento de cerveceros experimentados (personas con interés especial o conocimiento en el tema) y aquellos que han desarrollado programas para poder hacer cálculos complejos y experimentos. experimentos. Con esta amplitud de fuentes, este libro puede responder tus preguntas sobre el agua para elaborar cerveza o encaminarte hacia las respuestas. He visto muchas consultas como
estas: “Estoy hacienda hacienda Buena cerveza pero algo me está faltando. Pienso que debe ser
el agua. ¿Dónde puedo aprender algo sobre cómo mejorar mi cerveza a través de ajustar el agua?” Este libro es obviamente la respuesta. No es suficiente con recolectar todo la información relevante y ponerla ante el cervecero, muchos muchos quedarían intimidados intimidados por eso y en consecuencia consecuencia no habría ningún beneficio de eso. Una comparación con la malta, lúpulo y levaduras puede generar cierta visión. SI un cervecero encuentra una malta en particular que tiene mucha proteína, o una levadura que genera demasiado diacetilo, o una variedad de lúpulo muy baja en geraniol, hay muy poco que pueda hacer salvo elegir otros insumos, diluir o aumentar con insumo que tengan más o menos las propiedades propiedades deseadas. El agua es algo diferente. Mientras que el cervecero no puede obtener fácilmente agua de una fuente diferente, la que está disponible puede ser modificada. De hecho, debe hacer exactamente eso si él quiere hacer excelentes cervezas libres de las limitaciones impuestas de la escuela del “terrior”. Si hay mucho de un ion, ese ion debe ser
removido. Si hay una deficiencia de otro ion, ese ion debe ser aumentado. Hacer esto requiere la aplicación de química. Es paradójico que los cerveceros sean intimidados por la relativamente simple química del agua a diferencia de la mucha más compleja química y bioquímica de los otros tres ingredientes. La incomodidad deriva, en mi opinión, del hecho que mientras la química de los ingredientes vivos es extremadamente compleja, solo un limitado entendimiento cualitativo es suficiente porque un cervecero típico prácticamente no aplica química para mejor malta, lúpulos o levaduras. Para dominar el agua, al contrario, se debe aplicar lo que se sabe sobre química y se debe hacer cuantitativamente, lo que significa que se deben hacer cálculos. Es mucho más fácil explicar y entender (cualitativamente) que los iones de bicarbonato en el licor absorben iones de hidrogeno de un componente acido del mosto que explicar y entender (cuantitativamente) la cantidad de bicarbonato de sodio necesario para eliminar el efecto del acido. Los cálculos concernientes al sistema carbónico/bicarbonato/carbonato en agua son el corazón de la química del agua para elaborar cerveza. Se requiere el uso de la extensión de Davies a la teoría de Debye-Hückel. Si te resulta poco familiar, como a la mayoría de los lectores, es muy probable que te sientas un poco intimidado. No lo estés! NO debes entender la teoría de Debye-Hückel (tampoco Davies extensión) para
usar este libro. Las partes intimidantes (matemática) de la ciencia han sido hechas y los resultados puestos en tablas y gráficos fácil de usar. Esto es, en mi opinión, una de las partes en que este libro brilla. Hace lo más difícil, pero esencial, parte de la materia accesible para aquellos sin una base en ciencia o ingeniería. Los pocos que quieran saber sobre la teoría de Davies-Debye-Hückel lo encontrar en una búsqueda por internet. Un cervecero que busca mejorar su cerveza modificando el agua disponible se esfuerza para lograr dos objetivos: uno técnico y otro estético. El objetivo técnico es establecer un pH apropiado en el macerado. Uno puede argumentar que realizar este objetivo es de lo que se trata este libro y que el resto del material es secundario. Aunque eso es una exageración, el pH adecuando en el macerado es muy importante. El objetivo estético es materia de sabor. El pH adecuando en el macerado es necesario para el mejor perfil de sabor pero hay otro efecto relacionado al sabor derivado más directamente de los minerales en el licor. Lo más sabido sobre esto es la dulzura y redondez impartida por el ion cloruro, y el sinergismo del ion sulfato con los principios de amargor del lúpulo. Un pH adecuado de macerado y buenos efectos en el sabor requiere que ciertas cosas en el licor se encuentren en las concentraciones concentraciones necesarias. El agua RO, una de las dos tecnologías que quedan por discutir, contiene prácticamente nada, por lo tanto usar esa agua como fuente hacer que sea fácil de lograr la concentración de iones necesaria. Simplemente agregamos lo que requerimos, sujetos a la limitación de que los dos iones que agregamos se encuentren en la proporción adecuada. No hay necesidad de analizar el agua o realizar algún test solo aquellos necesarios para verificar que el sistema RO funciona adecuadamente. El agua RO es, en una analogía popular, una hoja en blanco. El agua RO disponible está revolucionando la elaboración como hobby y comercial, como no importa que tan difícil sea de conseguir, ahora se puede transformar en una hoja de papel en blanco. No solo RO hace posible hacer buenas cervezas en lugares donde no era posible, sino que hace la relación del cervecero con el agua mucho más simple. El concejo, “solo disolver un gramo de cloruro de calcio por litro de agua RO y a cocinar” es muy simple,
pero te permitirá obtener una buena cerveza en una gran cantidad de casos. Para obtener cervezas excelentes hay que hacer, naturalmente, más que solo agregar cloruro de calcio, y es te libro muestra cómo hacer eso.
La última de las las tecnologías es el pH metro barato. barato. Vamos a encontrar encontrar muchas discusiones sobre sobre pH en este libro. El El balance de los iones iones de carbonato carbonato y fosfato dependen del pH y muchas de las complejas reacciones químicas del malteado, macerado y fermentación son mediadas por una catálisis enzimática. El rendimiento de las enzima depende de la temperatura, como la mayoría del los cerveceros sabe, pero también depende del pH. Por esto es que es muy importante poner adecuadamente adecuadamente el pH del macerado (si esto se hace, el pH en otras partes del proceso se va encontrar dentro de rango). La predicción del pH de macera es complicado y una variación natural en las propiedad de la malta hace difíciles las predicciones exactas. Acá es cuando el pH metro entra en acción. Da directamente al cervecero como lo hace el termómetro, y la información de este es importante como lo es la información de temperatura. SI la temperatura no es correcta, el cervecero agrega o saca calor. Si el pH no es correcto correcto el cervecero agrega o quita acides. Cuando decimos que un adecuado tratamiento del agua es un factor principal en determinar una buena de un excelente cerveza, realmente estamos diciendo que el pH es un factor principal (no el único) en determinar la calidad de lo que q ue sale del fermentador. En resumen: Uno tiene, esencialmente, esencialmente, tres opciones para abordar el agua para la elaboración de cerveza. Se puede elaborar con el agua como esta, se puede modificar agregando los iones deficientes y removiendo los iones que están en exceso, o se puede empezar con agua RO y crear el licor que uno necesita desde el azúcar. Espero que este prefacio te haya dado alguna perspectiva que te vaya a ayudar, mientras lea, haga esa decisión, así como apreciar la gran cantidad de información que hay en el libro y entender la importante contribución que hace a la literatura sobre cerveza. Sumérjase y espero que disfrute leyéndolo tanto como yo lo he disfrutado ayudando a John y Colin para que lo escriban.
A. J. deLange McLean, Virginia May 2013
1 Todo un libro sobre el agua para elaborar cerveza. Este libro es parte de la serie Brewers Publications’ Brewing Elements y está hecho para todos los niveles de cerveceros (desde cerveceros caseros hasta profesionales). Sin embargo, debe entenderse que es un libro técnico no previsto para novatos. Los cerveceros deben tener el conocimiento práctico sobre las técnicas de elaboración a partir de granos, incluyendo el macerado, filtrado y rendimientos esperados para apreciar en su totalidad las discusiones de este libro. También deben tener los cerveceros conocimientos básicos de química para poder entender los conceptos discutidos acá. Para aquellos que son un poco rústicos con la química, un glosario y conceptos fundamentales son provistos en el apéndice A. De todas maneras hay varias fuentes de internet que pueden explicar los conceptos de química si es necesario. Antes de 1990, había una brecha en el conocimiento técnico entre los cerveceros de nivel casero y nivel comercial. Pero desde ese tiempo, la brecha se ha acortado considerablemente. Actualmente tenemos más pequeños e independientes cerveceros en los Estados Unidos que nunca antes en la historia y la mayoría de estos maestros cerveceros aprendieron primero de forma cacera. Esta afirmación es válida también a nivel mundial (nuevas cervecerías están abriendo en todos lados a medida que la gente redescubre la cerveza en todas sus variedades). Hay un interés renovado en diferentes estilos de cerveza y una mayor variedad de ingredientes. Nuevas cepas de levaduras está extensamente disponibles, las malterias tienen nuevos mercados para sus maltas especiales, y a los productores de lúpulos constantemente se les
pregunta por nuevas variedades de lúpulos, todo esto para satisfacer la demanda de nuevos cerveceros. ¿Pero el agua? Bueno, el agua viene de un agujero en el suelo. En el último siglo el agua era pasada por alto o simplificada considerándola como un todo. El tema común era que el agua debía ser limpia, potable, baja en alcalinidad y dureza, proveniente de arroyos puros de montaña, etc. Acá en los Estados Unidos, la elaboración de lagers tipo light Pilsner era el único objetivo de cada operación de elaboración de cerveza, especialmente a medida que las cervecerías se consolidaban en 1950, los 60 y 70. Para la última mitad del siglo 20, las recomendaciones generales para el agua en textos de elaboración de cerveza eran:
El agua debe ser limpia. Pre ebullición para eliminar la dureza temporal. La alcalinidad del agua debe ser menor a 50ppm. El agua debe contener de 50 a 100ppm de calcio.
El problema con estas generalidades es que eran hechas en función de un solo estilo de cerveza (lagers Pilsener) y no necesariamente conocían los requerimientos de otros estilos. La cerveza es la más compleja de las bebidas conocidas por el hombre y el rol del agua igualmente intrincado. Los libros sobre química del agua típicamente tienen 500 páginas, sin embargo el agua no recibe más de un capitulo en los libros modernos sobre elaboración de cerveza. ¿Esto es porque el agua para la elaboración de cerveza es algo simple? No. ¿Es porque la química del agua recientemente ha sido entendida? No, en realidad. La influencia e importancia de la composición del agua en la cerveza se ha sabido por un largo tiempo. En 1830, la composición del agua de Burton-upon-Trent fue dada a conocer debido a una demanda por difamación de los
cerveceros locales en contra de la Society for Diffusing Useful Knowledge , que había reclamado que los cerveceros de Burton adulteraban sus cerveza. El término “burtorizacion” fue acuñado en 1882 por Egbert Hooper en The Manual of Brewing y
se lo atribuye a un proceso desarrollando por el químico Charles Vincent en 1878. En 1901, Wahl y Henius publicaron el American Handy Book of the Brewing, Malting, and Auxiliary Trades. En la sección sobre el agua (12 páginas) en Brewing Materials, hacen
referencia a tratamientos para mejorar el agua, como aireación para remover olores y
precipitar hierro y la adición de sales para la “burtorizacion”, indicando: “la adición de yeso de Paris, sulfato de magnesio, o sal común, preferentemente en un polvo en el tanque de agua caliente, hará más adecuada el agua blanda, particularmente para cervezas pale”. Continúan describiendo: “haciendo que constituyentes perjudiciales sean indiferentes” como la reducción del exceso de carbonatos alcalinos por las
adiciones adecuadas de cloruro de calcio, ablandando el agua de la caldera y discutiendo diferentes tipos de agua para la elaboración de cerveza para diferentes tipos de ales o lagers. La única diferencia real en este libro de los textos modernos es la terminología para algunas de las sales, (ej. calcio, magnesio) y las unidades (ej. Gramos por galón vs ppm). La misma y más información es presentada en Principles and ., por W.J. Practice of Brewing 3rd Ed ., Sykes en 1907 hace una gran revisión sobre diferentes tipos de agua para la elaboración de cerveza y también de tratamientos para el agua “p ara modificarlas para un mejor propósito”, incluyendo las reacción químicas pertinentes. El libro fue publicado unos pocos años antes que el concepto de pH sea introducido por Søren P.L. Sørensen del Carlsberg Laboratory en 1909 y el pH no está incluido en la discusión. EL concepto de pH gano aceptación en el 1924 cuando su definición fue refinada para ser compatible con los trabajos contemporáneos en electroquímica de células. Otra prueba de que el tratamiento del agua no es nuevo es dado el en resumen de Wallerstein Laboratories’ 1935, The Treatment of Brewing Water in Light of Modern Chemistry : “Cada agua para la elaboración de cerveza debe ser cuidadosamente
estudiada y tratada de acuerdo a las necesidades particulares. Por más de 30 años hemos hecho el tratado el agua para la elaboración de cerveza nuestro tema especial de estudio, suministrando al cervecero las particulares sales Wallerstein Burton necesarias para mejorar y corregir su agua”. Este libro también incluye la discusión
sobre el valor de la medición de pH, pero nota que el pH del agua no es el objetivo. Mientras que el pH es uno de los factores más importantes relacionados con la idoneidad del agua con propósitos cerveceros, debemos tener en mente que es el pH del macerado y el pH del agua el que influenciara los resultados de la elaboración de cerveza. De todos modos, nuestro objetivo no es corregir hasta lograr cierto valor de pH sino hacer el agua más adecuada para la elaboración de cerveza y proveer las
condiciones bajo las cuales las operaciones de elaboración puedan ser conducidas de manera ventajosa. En 1953, Paul Kolbach determino que el aumento en la alcalinidad del agua causaba un aumento del pH del mosto sobre el pH del agua destilada o “normal”. También determino que el calcio y magnesio en agua (dureza) reaccionaban con los fosfatos de la malta para neutralizar la alcalinidad del agua y reducir el pH del mosto. El llamo a la alcalinidad remanente luego de esta reacción “alcalinidad residual” y este
concepto se convirtió en eje fundamental para entender y manipular el pH a través del proceso de elaboración de cerveza. El pH del macerado condiciona el pH del hervido y el pH del hervido es un factor principal en determinar la forma en que los aromas de la cerveza son expresados en el paladar. En una región con agua alcalina, un cervecero debería usar acido o incorporar maltas mas acidas en la mezcla de granos para bajar el pH dentro del rango deseado. Al contrario, en regiones con agua de baja alcalinidad la necesidad de ácidos o maltas acidas es reducida. En general, el gusto Norteamericano por la cerveza en el pasado siglo fue f ue ligero y más ligero. Obviamente hay excepciones, pero los años con campañas de cervezas ligeras, secas y congeladas cuenta una historia consistente. Recientemente, algunas cervecerías muy grandes han gastado más tiempo de sus avisos hablando sobre el envase de una nueva cerveza que en su sabor. El punto es que las cervezas pale lager de baja densidad son la mayoría del mercado, y las características del agua para ese estilo han sido aceptadas como la norma, sin mucho entendimiento del por qué. Ojala, este libro pueda ser un puente entre el pasado y el futuro sobre el uso del agua para la elaboración de cerveza. Los requerimientos de calidad de agua en una cervecería pueden variar. La mejor agua para elaborar cerveza puede no ser siempre la mejor agua para los otros usos de una cervecería. El agua que es usada para lavar, generación de vapor, refrigeración o dilución puede necesitar diferentes parámetros que el agua para el macerado o hervido. Lo que esperamos hacer con este libro es darle al lector el conocimiento para cambiar el agua de ser un obstáculo o bstáculo a una herramienta. El primer objetivo de este libro es educar al cervecero en que el agua es un ingrediente de la cerveza. EL segundo es explicar en un lenguaje amigable como el
agua interactúa con las maltas para crear la química del macerado y como manipular esa química para mejorar la cerveza. La tercera sección del libro sale del macerado y se concentra en las necesidades de agua de otros procesos y el tratamiento de aguas residuales. Hacer cerveza debería ser todo sobre cómo hacer al agua trabajar por uno y no al revés.
Panorama del agua como ingrediente.
En su libro “On Food and Cooking”, el autor Harold Magee, establece la química de la cocción. Y entonces en la elaboración de la cerveza, la cerveza es una mezcla compleja de azucares, proteínas, alcoholes y un gran cantidad de otros compuestos orgánicos. Un cervecero necesita pensar en el agua y en las fuentes de agua de la misma manera que lo hace con las variedades de lúpulo y las regiones en que crecen, o en las maltas y las malterias. Diferentes fuentes de agua tienen diferentes perfiles químicos y en consecuencia diferentes beneficios para diferentes estilos de cerveza. El agua pura y cristalina de montaña es una gran idea en teoría, pero la realidad de la elaboración de cerveza es que una dureza significante en el agua es actualmente recomendada para un mejor rendimiento en la elaboración de cerveza y otros iones pueden ser benéficos para el sabor. Hacer buena cerveza se trata de algo más que solo tener el agua correcta y por el contrario, tener el agua correcta conlleva hacer más que buena cerveza. En la primera parte de este libro (capítulos 1 a 3), queremos que ganes una apreciación sobre de donde viene el agua, y que hay en ella. Discutiremos reportes de agua y normas del agua potable, los numerosos minerales y contaminantes y como estos pueden afectar la cerveza. El primer requerimiento para una fuente de agua para elaborar cerveza es que sea limpia. Una fuente de agua puede estar bien para tomar pero no como fuente para hacer cerveza. El agua puede contener cloro o cloramina, gases disueltos o compuestos orgánicos que pueden afectar de manera adversa el sabor de la cerveza. Aunque inicialmente puede parecer fácil, probar el agua antes y después de cada paso en el proceso, y antes de cada aplicación clave es muy recomendable. Por
ejemplo, en Sierra Nevada Brewery en en Chico, California, ellos prueban y huelen el agua diariamente, usando un mínimo de cuatro personas, en seis pasos del proceso. Ellos prueban el agua entrante por cualquier cosa inesperada, ellos prueban y huelen el agua después de la decloración, y después de la filtración con carbón por cualquier mal aroma. Ellos prueban el tanque de licor frio, el tanque de licor caliente, el tanque de agua desgaseada por cualquier mal aroma. Otros procesos no productivos donde se usa agua, como ser embotellado y enjuague, son probados semanalmente. Los malos olores y sabores pueden ser a humedad o terroso, sulfuro, ester o metálico. Algunas de estas pruebas puede que no sean aplicables a tu cervecería, y diferentes fuentes de agua tengan necesidades diferentes, pero un completo y consistente análisis sensorial de la calidad de lagua es una poderosa herramienta.
Panorama de la química del agua y el macerado.
En la segunda parte del libro (capítulos 4 a 7) vamos a explicar como la química del agua interactúa con la química del macerado. Generalmente, el agua para elaborar cerveza debe tener un mínimo de 50ppm de calcio para mejorar el rendimiento del macerado, buena fermentación y clarificación de la cerveza. La alcalinidad en el agua para la elaboración de cereza ha sido tradicionalmente vista como una barrera solamente, algo para ser eliminado. Pero el nivel recomendado de alcalinidad en el agua va a variar basado en la acides de la composición de las maltas en el macerado y el carácter deseado en la cerveza por el cervecero. En general, baja alcalinidad es deseable para cervezas claras y la necesidad de alcalinidad aumenta para macerados más oscuros y ácidos. Por último, el sabor de la cerveza debe ser la guía del cervecero para la adecuada composición del agua. Por años, se ha hablado sobre el desarrollo de modelos para predecir y controlar el pH del macerado entendiendo la interacción entre la composición del agua y las maltas molidas. Vamos a explorar la investigación reciente en esta área para poder ilustrar el panorama general y encaminar las futuras investigaciones. El capitulo 4 discute el concepto de alcalinidad residual en detalle y el capitulo 5 se enfoca en la química de la malta. La química de la malta pude parecer estar fuera del foco de este
libro, pero en realidad es la otra mitad de la ecuación si uno va a discutir el pH del macerado, y no tiene sentido discutir sobre química del agua si no se va a discutir sobre el pH del macerado y las propiedades de la cerveza. El capitulo 6 muestra los métodos para controlar la alcalinidad con más detalle, reducir e incrementar la alcalinidad es necesario. Ablandamiento con cal, des carbonatación por calor y acidificación del agua para la elaboración de cerveza y aspersión son tratados. Como también las ultimas investigación sobre el efecto en el pH del macerado de las adiciones de yeso y cal apagada. Vamos a explicar cómo manipular la química del agua para mejorar tu cerveza. A pesar que el calcio y la alcalinidad son aspectos muy importantes en el agua para elaborar cerveza, otros iones pueden tener efecto sustancial en el sabor de la cerveza y en su percepción. Por ejemplo, la relación sulfato-cloro en el agua puede afectar significativamente el balance en el aroma maltoso a amargo y la percepción de plenitud y sequedad en una cerveza. Sodio, magnesio, cobre y zinc pueden ser muy benéficos en pequeñas cantidad, pero producen mal sabor si se encuentran en exceso. El efecto de estos iones en la cerveza se discuten en el capítulo 7. Una pregunta frecuente es ¿que tipo de agua es apropiado para un estilo en particular? ¿Cuánto de esta sal debo agregar ala agua? También vamos a enseñarte como hacer los simples cálculos químicos para la adición de sales y ácidos. En el capítulo 7 presentamos nuestras recomendaciones para la composición general del agua para diferentes estilos, recetas de sales para hacer estos estos tipos de agua a partir de agua destilada o agua RO, y un par de ejemplos específicos para ajustar una fuente de agua para una mejor elaboración de un estilo de cerveza. Estas sugerencias intentan ser puntos de partida y no el destino final. La calidad del gusto de una cerveza debe ser tu guía mientras navegas esas aguas. Estos capítulos junto con los apéndices deberían brindar las herramientas para acomodar el agua para la mayoría de los estilos que quisieras hacer.
Panorama del tratamiento del agua para elaborar cerveza.
La última sección del libro, del capítulo 8 al 10, de enfocan en el uso del agua en la cervecería para procesos que no sean la elaboración de cerveza: que tecnologías para el tratamiento están disponibles, requerimientos para diferentes procesos relacionados al agua y el tratamiento de aguas residuales de la cervecería. El tratamiento del agua es una ciencia vieja, con procesos como el hervido, filtración con arenas y con carbón que se remontan a los tiempos de los faraones egipcios. El ablandamiento con cal se desarrollo en 1841 y fue discutido como un patrón en la práctica tanto en Principles and Practice of Brewing y American Handy Book of Brewing. La tecnología moderna has movido hacia adelante el tratamiento del agua
desde ese punto. El propósito de esta sección del libro es que los cerveceros conozcan es estado del arte, cuales proceso son mas adaptables para pequeñas o medianas cervecerías y no hacer hincapié en las tecnologías más viejas, las cuales pueden ser mejores para la producción a gran escala.
Figura 2: Distribución del agua y procesamiento dentro de una cervecería.
La elaboración de cerveza es una actividad que usa el agua de forma intensa, usando entre 5-10 volúmenes de agua por cada volumen de cerveza producida. La mayoría de esta agua es usada para limpiar, algo se pierde por evaporación y la mayoría de todo esta agua se va por los desagües a menos que sea reutilizada. El agua usada para limpiar a veces necesita ser ablandada para tener mejores resultados. Los términos coloquiales “agua dura” y “agua blanda” vienen de la industria de la limpieza. El término “duro” significa que es difícil hacer espuma debido a la fuerte unión química
que se produce en los jabones con los iones de calcio y magnesio.
Figura 3: Un día típico de elaboración de cerveza en The Bruery en Placentia, CA.
Una vez que los iones de calcio y magnesio en el agua se unieron, más jabón es necesario para limpiar. Detergentes y surfactantes son menos sensibles a la dureza del agua y son la mayoría de los productos químicos de limpieza que se usan hoy en día. La dureza del agua es también responsable de las incrustaciones de calcio en los equipos,
que inhiben la limpieza completa. Sin embargo es común ablandar el agua antes de usarla para limpiar. Pero hay más tratamientos para el agua que el ablandado. Hay varias tecnologías que los servicios públicos usan para remover sólidos suspendidos, disolver sólidos y líquidos contaminantes y gases del agua, y estos mismos métodos m étodos pueden ser usados en las cervecerías. Una vez que entendemos las tecnologías disponibles para nosotros, podemos mirar los requerimientos de agua para los diferentes procesos de la cervecería con un mejor ojo sobre las opciones opciones y la factibilidad. factibilidad.
Figura 4: Fermentadores enfriados con glicol en Dama Bier, Piracicaba, SP, Brazil.
El agua es usada para enfriar el mosto en intercambiadores de calor, es usada en soluciones con polipropilenglicol en fermentadores encamisados y es usada como vapor y en la caldera. El tratamiento de agua en caldera es esencial para mantener la eficiencia energética y la integridad del sistema de generación de vapor. Un pobre manejo de los equipos y del uso del agua puede tener grandes efectos en el rendimiento del sistema, costos de energía, emisión de agua y gas, y en la vida del equipamiento. Cada una de estas aplicaciones de intercambio de calor tiene potencialmente potencialmente diferentes requerimientos.
Figura 5: La caldera en Stone Brewing Co, Escondido, CA.
Si bien la mayoría de la cerveza artesanal que se produce hoy en día es vendida en las mismas cervecerías, directamente de los tanques de madurado, una gran cantidad es necesaria de embotellar y embarrilar. Las leyes de etiquetado actuales exigen cumplir con el contenido de alcohol declarado. Por eso, varias cervecerías elaboran cerveza con mayor densidad para poder ser capaces después de diluir el mosto o la cerveza para ser más consistente con el porcentaje declarado. El agua para diluciones
debe
ser
altamente
desgaseada
para
prevenir
un
prematuro
envejecimiento, ya que varias veces es agregada justo antes del embotellado. El agua también es usada para el enjuague y limpieza de botellas, y para lavado y enjuague de barriles de acero inoxidable, sin la necesidad de des gasificar. El agua de dilución
puede ser usada en varios etapas de la elaboración de cerveza: pre hervido, post hervido y/o en la post fermentación. El uso de agua para dilución en el pre y post hervido puede ser usado para ajustar la densidad original o el volumen del lote. La popularidad del hervido y fermentación de alta densidad en las cervecerías a veces requiere el agregado de agua para diluir. El requerimiento de agua para una dilución post hervido es el mayor. El agua debe ser desinfectada y desgaseada antes del uso porque va a ser usada para cerveza terminada. El agua que no es desinfectada desinfectada tiene un gran riesgo de estropear la cerveza en el empaque, incluso si es pasteurizada. Por último, el contenido de calcio en el agua para dilución debe ser menor al contenido de la cerveza concentrada para prevenir la precipitación de oxalato de calcio en el envase. Estos cristales de oxalato actúan como sitios de nucleación y pueden causar el volcado de forma violenta y espumosa cuando la cerveza se abre (gushing).
Figura 6: Una Mirada al tratamiento del agua en Sierra Nevada Brewing Co, mostrando la mitad de abajo de la columna de des gasificado. Figura 7: Tanque de digestión aerobic en Sierra Nevada Brewing Co, in Chico, CA.
El tratamiento y la eliminación del agua residual es el cuello de botellas de varias cervecerías en crecimiento. A medida que la producción crece, la cantidad y calidad del agua residual que se manda a la instalación de tratamiento de aguas residuales se pone bajo la lupa. Lo que era previamente un mínimo inconveniente, un guiño o cabeceo al proveedor del tratamiento, se vuelve un problema diario, ¿cómo eliminar el agua residual, las levaduras utilizadas y los químicos de limpieza y evitar multas y recargos por las descargas de agua residual de la cervecería? Para reducir la carga y mejorar el carácter del agua residual de la cervecería, pre tratamientos en la cervecería son necesarios. El objetivo de los pre tratamientos es remover los sólidos disueltos y suspendidos del agua, mantener el pH del agua residual en los límites permitidos y reducir la fuerza de la descarga. En muchas áreas, permitir que el agua residual sin pre tratar entre en las cloacas va acompañado de altos pagos y multas del proveedor de tratamiento del agua residual. La fuerza del agua residual de la cervecería puede ser reducida químicamente, aeróbicamente aeróbicamente o anaeróbicamente. anaeróbicamente.
Cada tipo de sistema tiene sus pros y contras, y esta será la discusión con más detalle del capítulo 10. Esperamos que esta visión del conjunto te de un mayor entendimiento del agua como un ingrediente en la elaboración de cerveza y como un recurso de producción. Refinando el agua para cada uno de los varios usos es una importante parte para mejorar el sabor de las cervezas y mejorar las operaciones de la cervecería. Los requerimientos medioambientales de una cervecería nunca han sido tan rigurosos de lo que son ahora y nosotros esperamos que al traer estos aspectos a un libro, podamos darle el conocimiento y las herramientas para hacer que el agua trabajo para usted y su cerveza.
2 ¿De dónde viene tu agua? Entender de donde viene el agua y como el medio ambiente puede alterar sus características características y constituyentes son factores importantes del agua para elaboración de de cerveza. Este capítulo ilustra como el agua cambia a medida que avanza en el ciclo del agua (ciclo hidrológico) y como influencia nuestra elaboración de cerveza.
El ciclo del agua.
Podemos considerar que el ciclo del agua comienza como un gas o vapor en las nubes. Comienza el ciclo como pura H 20 (monóxido de di-hidrogeno), pero no por mucho tiempo. Cuando se condensa para formar gotas de agua, absorbe dióxido de carbono (CO2) y otros gases del aire. La atmosfera está llena de partículas de polvo y pequeños cristales minerales, como arena y cloruro de sodio. Estas sustancias ayudan a las gotas de agua a condensar, pero también contaminan el agua durante la formación. La gotas de aglomeran y caen sobre la tierra como precipitación (lluvia o nieve). Cuando la lluvia y la nieve caen sobre la tierra y son recolectadas, se convierte en agua superficial. Cuanto más tiempo permanece el agua de forma superficial en contacto con la tierra tierra (días o años), mayor mayor cantidad de sustancias sustancias del ambiente se disuelven o suspenden en ella. Estas sustancias pueden ser materia orgánica proveniente de plantas o animales y otros compuestos como herbicidas y pesticidas, y minerales como cloruro de sodio y sulfato de calcio por nombrar algunos. Figura 8—El ciclo del agua.
A medida que el agua superficial se filtra en el suelo, la mayoría de la materia orgánica es filtrada fuera y el agua es expuesta a mayor cantidad de minerales. Esta agua es llamada agua subterránea y puede permanecer en los acuíferos por cientos o miles de años. La mayor exposición permite a los minerales tener mucho tiempo para disolverse en el agua. En áreas con suelos con carbonato y formaciones rocosas, la disolución de estos minerales lleva a concentración de dureza y alcalinidad más altas de las que se pueden encontrar en la superficie. Pozos, manantiales y filtraciones filtraciones hacia los ríos y arroyos lleva el agua subterránea de vuelta a la superficie. En cualquier momento, tanto el agua subterránea como superficial pueden evaporarse y volver a la atmosfera para recomenzar el ciclo del agua.
Fuentes de agua y mineralización.
El punto de esta introducción es ilustrar que hay tres fuentes principales de agua fresca (lluvia, agua superficial y agua subterránea) y cada una tiene tus ventajas y desventajas para el uso en la cervecería. EL agua de lluvias o nevadas recientes suele tener un pH menor que el agua superficial y contiene muy poca materia orgánica o minerales. El agua superficial de ríos o lagos puede tener más materia orgánica y una concentración moderada de minerales disueltos y alcalinidad. El agua superficial está más contaminada de orgánicos, como plancton y desechos. La calidad de esta agua cambia mucho con la ubicación debido a las condiciones ambientales y la actividad humana. El agua subterránea tiende a tener una carga orgánica pero un contenido mayor de minerales disueltos y es susceptible a contaminación por parte de la industria, agricultura y otras fuentes humanas. Los cerveceros han obtenido el agua para la elaboración de cerveza de fuentes superficiales y subterráneas por siglos. La mayoría de esta agua proveniente de estas fuentes es para tomar o para usos en la elaboración de cerveza. El agua pude ser que haya que ablandarla o endurecerla, ajustar el pH y remover iones o compuestos orgánicos problemáticos para hacer el agua más agradable a los consumidores y proteger la infraestructura para el suministro de agua. En los Estados Unidos y otros países, las leyes requieren que el suministro público desinfecte el agua para remover
contaminación por microbios para poder distribuirla a los consumidores. El hecho que el agua haya sido tratada antes de la distribución no significa que el agua es adecuada para elaborar cerveza, sin embargo es adecuada para tomar. La desinfección tradicional no es importante para los cerveceros porque en el proceso de elaboración de cerveza típicamente incluye incluye el hervido de agua. De hecho, la elaboración de cerveza fue una forma de que agua cuestionable sea segura para tomar por miles de años. La desinfección del agua pública puede llegar a ser un problema porque algunos desinfectantes pueden ser difíciles de remover, pueden generar subproductos residuales y pueden efectos negativos en el sabor de la cerveza (esto de discute profundamente en el capítulo 3). Este es el primer mensaje para llevarse a casa: Conoce tu fuente de agua y que esperar de ella. Una descripción mas detalla de las fuentes de agua común sigue a continuación.
Una nota rápida sobre el pH y buffers.
El pH va ser definido con mayor detalle más adelante en este libro, pero la clave para entender ahora es que el pH es la medida de la concentración de iones de hidrógeno, o la acides de una solución. El pH es medido en una escala que va de 0 a 14, donde 7 es considerado neutral. Valores menores a 7 son incremento de la acides y aquellos valores mayores de 7 son más básicos. Por si solo, el pH del agua no es muy útil para los cerveceros. Para el cervecero, la alcalinidad del agua es más importante que su pH. Para poder entender tu agua, no solo debes entender el pH sino que q ue también el sistema buffer del agua. Un buffer es un compuesto químico en un solución que reacciona (disociándome o asociándose) a la adición de otro químico (azúcar, sal, acido o base) para resistir cambios en el pH de la solución. El principal buffer en el agua potable es la alcalinidad. Medir el pH del agua sin saber el tipo y la cantidad del sistema buffer es como medir el voltaje de una batería desconocida. El voltaje no nos dice nada sobre el tamaño o la capacidad de la bacteria. Igualmente, se debe saber el tipo y cantidad de buffer en la solución para tener un contexto del pH. Como venimos
diciendo, el pH del agua va a ser mencionado a lo largo de los siguientes capítulos mientras discutimos las fuentes de agua y su composición porque es un punto de referencia útil. El pH se vuelve critico más tarde cuando hay que entender y controlar la química del macerado (Para más información sobre buffer ver el apéndice A)
Precipitaciones.
El agua de lluvia o la nieve pueden ser muy puras, conteniendo típicamente menos de 20ppm sólidos totales disueltos. A medida que el agua condensa de gas a liquido en la atmosfera, otros grases pueden disolver en el agua líquida, a pesar que los gases inertes como el nitrógeno, argón y helio no son muy solubles en agua. Una revisión de la composición de gases de aire seco normal muestra que es 78,1% nitrógeno, 20,95% oxigeno y 0,9% argón. La humedad representa del 1-4% de la atmosfera, que desplaza al aire seco. En otras palabras, 3% de humedad significa que hay 97% de aire seco. Mirando al aire seco solamente, estas proporciones dejan solo un 0,04% del volumen para el resto de los gases, incluyendo el dióxido de carbono. La concentración actual de CO 2 en la atmosfera es de 390ppm (0,039%). Por lo tanto, el CO2 representa casi todo el gas remanente. El resto de los gases como helio, ozono, criptón, etc, están típicamente en 5ppm o menos y no modifican de manera significativa la calidad del agua atmosférica. Aunque todos estos gases g ases se disuelvan en el agua atmosférica (ej. nubes) en alguna proporción, el CO 2 es por lejos el mas soluble y juega el rol más importante en determinar la eventual composición y química de nuestro agua. Esto va a ser explorado más profundamente en los siguientes capítulos. El agua de lluvia típicamente típicamente tiene bajos niveles de moléculas moléculas orgánicas, pero la contaminación del aire contribuye con cantidades significativas de sulfates, nitratos, aldehídos, cloruros, plomo, cadmio, hierro y cobre. En aéreas muy contaminadas los óxidos de nitrógeno y sulfuro pueden crear lluvia acida con efectos destructivos como ser la acidificación del agua natural a erosionar los monumentos de Grecia. El pH de la lluvia acida ha sido medido tan bajo como 2,6 por estas causas. Por ejemplo, en un estudio de 90 muestras de agua de lluvia en Avignon, Francia, en el periodo desde
Octubre de 1997 hasta marzo de 1999, encontraron la siguiente concentración promedio de iones:
Cloruro 2.1 mg/L Sulfato 4.6 mg/L Nitrato 2.8 mg/L Bicarbonato 2.5 mg/L Sodio 1.1 mg/L Potasio 0.5 mg/L Calcio 2.4 mg/L Magnesio 0.2 mg/L Amonio 0.9 mg/L pH 4.92 Sólidos totales disueltos: 17.1 mg/L
Así, el agua en la neblina, nubes y en de las precipitaciones no es siempre pura. Si bien el ejemplo anterior muestra que los contaminantes pueden disminuir el pH, CO2 es usualmente el mayor determinante de la acides del agua y su pH. La disolución de CO2 en el agua de lluvia forma dióxido de carbono acuoso y acido carbónico que baja el pH de 7 (agua destilada) a un rango entre 5 y 6, con un valor medio de entre 5 y 5,5. El pH del agua pura en contacto con CO 2 puede ser directamente calculado. Por ejemplo, con 0,03% de CO 2 en la atmosfera, el pH resultante del agua pura debería ser 5,65 (a 20ºC). Para resumir, el agua de la precipitación típicamente tendrá un contenido de iones muy bajo y muy baja alcalinidad. Sin embargo, el contenido de iones puede ser elevado en aéreas industriales, los vientos pueden fácilmente causar contaminación lejos de la fuente de contaminación.
Agua superficial.
El agua superficial puede ser cualquier cuerpo de agua sobre la superficie, incluyendo lagos, estanques, ríos o charcos. El pH de esta agua se encuentra entre 6 y 8 debido a la disolución de minerales y algo de materia orgánica. La calidad y característica de esta agua puede variar mucho dependiendo de varios factores como tasa de flujo, profundidad, superficie y la geografía. La calidad del agua en ríos de montaña de rápido movimiento puede ser muy similar a las características del agua de una precipitación resiente. Hay una pequeña oportunidad para el agua de agarrar o erosionar sedimentos en esas condiciones y el agua tiende a ser clara. De todos modos, incluso esa agua requiere tratamientos antes de su uso potable. Por ejemplo, la introducción introducción de ovejas en las montañas montañas de Sierra Nevada Nevada en California causo causo un fuerte aumento en microorganismos y patógenos humanos en los arroyos y ríos hasta la costa. Por otro lado, ríos grandes de lento movimiento, como el Mississippi, tienden a juntar más suelo, materia orgánica y escorrentía agrícola y convertirse en turbios a mediad que fluyen a través de amplias llanuras de inundación compuestas por suelos y roca erosionable. Puede haber mucha variación en la calidad del agua en los ríos debido a los diferentes usos de la tierra y la geología de la cuenca. La química de un rio puede variar mucho con la geografía, variar periódicamente por las precipitaciones o cambiar rápido debido a tensiones locales en el ambiente. Para ilustrar este punto, el rio Mississippi corta una cuenta de drenaje que una vez fue un mar interior. El agua del rio junta alcalinidad de la caliza que anteriormente era el fondo del mar. El pH del Mississippi cambia un poco con la ubicación, pero tiende a estar en torno a 8. Por contraste, el rio Amazonas fluye a través de roca silícea (piedra, cuarzo y piedra arenisca) y no toma mucha alcalinidad. Las hojas muertas y la arcilla en el fondo del Amazonas forman compuestos húmicos y otros ácidos orgánicos en el agua. El agua puede teñirse de marrón, como él te. Los ácidos orgánicos y la baja alcalinidad del agua del Amazonas previenen que el pH nunca supere de 6. El agua superficial proveniente de lagos en regiones frías puede cambiar temporalmente debido a la estratificación térmica. El agua más densa esta en el fondo del lago tanto en invierno como en verano a una temperatura de 4ºC. El agua de la superficie es menos densa, tanto sea porque es calentada por el sol o porque está congelada. Cuando las temperaturas se vuelven uniformes en la primavera y otoño, la estratificación desaparece y la mezcla puede ocurrir por la acción del viento, haciendo
que los nutrientes suban desde el fondo del lago y llevando el agua rica en oxigeno de la superficie hacia las profundidades. Los lagos en regiones cálidas pueden sufrir de la floración de algas y la materia orgánica. Ciclos biológicos temporales como la floración de algas o la introducción de las hojas caídas en otoño pueden afectar la calidad del agua superficial, pueden causar olor y sabores concentrados que necesitan de tratamientos más fuertes y pueden resultar en un aumento en la acumulación de subproductos debido al tratamiento. Por ejemplo, la cloración del material vegetal en descomposición crea TCA (2,4,6-tricloroanisol). Este mal sabor, descripto como terroso, moho, perro mojado o sótano húmedo es detectable en cantidades mínimas. Otro mal olor en el agua superficial pude ser el resultado de MIB (metilisoborneol) y “geosmin” (ej. Olor a tierra) que son producidos por microbios viviendo en el agua. La
filtración a través de carbón activado puede ser efectiva para remover ese gusto y olor causados por químicos.
Agua subterránea.
Como notamos antes, el agua superficial que se filtra en la tierra y penetra capas de roca y suelo es llamada agua subterránea. La capa semipermeable por la cual el agua subterránea fluye se denomina acuífero. La edad del agua subterránea (tiempo desde que entro en el suelo) varia. Algunos acuíferos tienen agua con menos de un año y otros tienen agua por miles de años- La edad promedio del agua subterránea a nivel mundial es de 250 años. En estos acuíferos, el agua puede estar expuesta a alta temperatura y presión que puede resultar en una mayor disolución de minerales de la que se pude encontrar en el agua superficial. Reproducir estas aguas altamente mineralizadas en el laboratorio por la adicción de sales y ácidos a agua destilada puede ser dificultoso. Sin embargo, no toda el agua subterránea está altamente mineralizada. Si los acuíferos están compuestos de rocas o suelos no carbónicos o silícicos., esos minerales pueden estar no muy solubles y el agua no mineralizarse tanto. El pH típico del agua subterránea se mantiene en el rango entre 6,5 y 8,5. Aguas subterráneas con pH más bajos pueden ser más propensas a disolver metales como hierro, manganeso, etc.
Estos metales son típicamente indeseados en el agua para elaborar cerveza, incluso a concentraciones muy bajas. Desde el punto de vida del cervecero, sería bueno si las fuentes de agua subterránea fuesen clasificadas en función de las características para elaborar cerveza. Desafortunadamente, este no es el caso, la clasificación de acuíferos fue hecha por científicos del suelo e hidrólogos, no cerveceros. Estos científicos están más preocupados por la fuente de agua (que tan fácil el agua fluye y que tan lejos va). De acuerdo con los hidrólogos, hay dos tipos de acuíferos principales: confinados y no confinados. Un acuífero confinado tiene tiene una barrera barrera relativamente relativamente impermeable impermeable (como arcilla) recubriendo la zona más permeable. Este acuífero es de alguna manera blindado, o confinado, de la contaminación superficial por la capa impermeable. Si suelo o roca permeable cubre toda la superficie, entonces el acuífero es no confinado. Además, los hidrólogos típicamente nombran las fuentes de agua por una ubicación, entonces si sucede que vivís en el norte de Arkansas, vas a estar gratificado de saber que el agua viene del sistema de acuíferos de Ozark Plateaus (o no). Los geólogos por el otro lado, están principalmente enfocados con las rocas y estratos. La United States Geological Survey (USGS) identifico 5 principales tipos de acuíferos en norte América: arena y grava, arenisca, roca carbonatada, carbonatada, arenisca y roca carbonada entre mescladas, y rocas ígneas y metamórfica. Información sobre las unidades geológicas (ej. Tipo de roca) de los acuíferos específicos de norte América está disponible en www. usgs.gov . Probablemente fuentes similares hay en otros países. La clasificación geológica no son descriptores útiles para las características del agua para elaborar cerveza tampoco. Pero son un paso en la dirección correcta, si se sabe el tipo de minerales e iones que se pueden encontrar. ¿Entonces como la geología afecta el agua? Para clarificar, un mineral es un compuesto químico específico como es el carbonato de calcio, yeso, cinabrio, granito o cuarzo. Una roca es una combinación natural de minerales o no minerales. Un tipo especial de roca, como el granito, es una combinación específica de minerales. El agua subterránea tiende a tener baja cantidad de minerales disueltos, pero la alta permeabilidad hidráulica la hace más susceptibles a contaminación de fuentes superficiales. Este tipo de acuíferos pueden ser encontrado a lo largo de Missouri y la cuenta de drenaje del rio Mississippi, desde el norte de Texas hasta Arkansas, Nevada, Carolina Carolina de sur, Georgia y Florida.
Los acuíferos de granito están compuestos principalmente por granitos, del tamaño de la arena, cementados juntos. El granito puede incluir varias rocas sedimentarias incluyendo yeso, el cual se forma bajo condiciones de alta evaporación en cuencas marinas profundas y planicies marinas costeras. El yeso es encontrado en varias formas, pero la más común es como una roca blanca que está minada de yeso y placas de yeso. La conductividad hidráulica de los acuíferos de granito tiene a ser baja y el agua puede tener un largo tiempo de residencia, posiblemente produciendo agua altamente mineralizada. Este tipo de acuíferos prevalece a través de las Montañas Rocosas a las planicies del norte en los Estados Unidos. Los acuíferos de roca carbonatada son muy comunes alrededor del mundo, y consisten mayoritariamente en caliza (carbonato de calcio) y dolomita (carbonato de calcio y magnesio). La caliza es el resultado de la sedimentación de millones de conchas y corales de mares primitivos. El agua subterránea puede contener una a cides significativa por el CO 2 disuelto producido por bacterias del suelo o contacto con la atmosfera. Esta agua subterránea ácida puede disolver la caliza, creando cuevas debajo de los ríos. Este tipo de acuíferos que emergen desde el suelo desarrollan lo que se conoce como topografía kárstica, la cual se caracteriza por manantiales, sumideros, arroyos que desaparecen, valles ciegos causados por el hundimiento y mogotes (lomas aisladas de caliza, como en China y América del Sur). Esta topografía kárstica es común en los Apalaches y Florida en los Estados Unidos. Un clásico ejemplo de este tipo de acuíferos fuera de los Estados Unidos es la cuenca de Londres y el valle v alle de Koom, ambos en Reino Unido. La cuenca de Londres tiene una capa de arcilla sobre un acuífero de arena que está por encima de un piso de tiza (caliza blanda). La tiza contribuye con alcalinidad al agua subterránea y por lo tanto los pozos pocos profundos en el acuífero arenoso tienen menor alcalinidad que los pozos más profundos debido a que los pozos más profundos toman agua subterránea que está pegado a la capa de tiza. El cuarto tipo de acuífero es de caliza y piedra carbonatada, el cual está compuesto por piedras carbonatadas intercaladas con casi la misma cantidad de caliza. Estos acuíferos ocurren en el sur de Texas, desde los Apalaches hasta Adirondacks y Ohio. Estos acuíferos pueden contener yeso también, y tienden a producir agua altamente mineralizada. Burton-Upon-Trent en el Reino Unido es la zona de agua dura
más conocida en el mundo de las cervezas, teniendo alta dureza por el yeso y alta alcalinidad de las piedras carbonatadas. El quinto y último tipo de acuífero está compuesto por rocas ígneas y metamórficas (ej Basalto y granito, o mármol y cuarcita, por nombrar algunos). Estas piedras no son porosas y el fluyo hidráulico solo es posible a través de fisuras y fracturas en la roca. Estos acuíferos son comunes en el norte de los Apalaches, el este de Whashington, Oregon e Idaho. Estas rocas son relativamente insolubles y contribuyen con muy poca dureza o alcalinidad al agua. Un ejemplo de un acuífero ígneo podría se las Sierra Nevada Mountains en California. El agua cae en el invierno en forma de nieve y se libera lentamente durante el verano al derretirse. La calidad del agua en estos acuíferos permanece muy similar al agua inicial de las precipitaciones.
De la fuente a la canilla.
No todas las comunidades están suministradas de una fuente de agua grande y consistente. El aprovisionamiento de agua debe ser una mezcla de varias fuentes para poder suministrar a una gran población con agua de alta calidad a lo largo del año. Mientras que algunas grandes cervecerías pueden tener sus propios pozos o derechos de agua a largo plazo, los cerveceros caseros y muchas cervecerías cervecerías pequeñas reciben el agua del suministro municipal de agua. La variación en las fuentes del agua afecta la composición iónica del suministro. Todos los proveedores municipales de agua en países del primer mundo están sujetos a leyes sobre pureza pureza y sanitización del agua. Los pasos específicos para la purificación requeridos pueden variar con la fuente de agua, pero un resumen de los procesos más probables se muestra en la figura 9.
Figura 9: Proceso común de purificación de agua.
El primer tratamiento para las fuentes de agua superficial es el filtrado a través de pantallas para remover escombros medioambientales como palos y hojas. Los siguientes pasos varían dependiendo del tipo de contaminantes. El orden de estos procesos pueden varias dependiendo de las instalaciones de tratamiento. Si está
presente olor y gusto de compuestos orgánicos en el agua, el tratamiento con carbón activado debe ser llevado a cabo. Si el agua contiene concentraciones objetables de hierro o manganeso, el agua es aireada o ozonizada para oxidar de formas solubles de estos metales a formas insolubles. Una vez que está en forma insoluble, el metal puede ser filtrado del agua. Otro tratamiento para remover hierro y manganeso disuelto es la filtración a través de “arenas verdes” , la cual oxida y atrapa estos iones.
Si el agua es excesivamente dura, debe ser ablandada como cal para precipitar el carbonato de calcio y el hidróxido de magnesio. Finas partículas en el agua pueden ser coaguladas con alumbre (sulfato de aluminio), cloruro férrico o la adición de polímeros. Estos coagulantes ayudan a flocular las finas partículas mediante la aglomeración, entonces las partículas partículas se agrupan para ser más rápida la sedimentación o ayuda su filtrado. Grandes partículas como arena fina y limo decantan en minutos. Sin embargo, partículas más pequeñas como bacterias pueden tardar días para decanta sin l ayuda de coagulantes.
¿Cloro o cloramina?
Hay maneras de bajo costo costo para determinar determinar si hay cloro cloro o cloramina en el agua. Equipos de prueba para cloro libre o cloro total están disponibles en negocios para acuarios o proveedores de laboratorios. Estos equipos pueden indicar la presencia de este desinfectante en agua. La prueba de cloro libre solo responde al cloro libre en agua. La prueba de cloro total mide el cloro que también esta enlazado en las cloraminas. Si la prueba de cloro libre mide más que la prueba de cloro total, hay cloraminas. Si ambas pruebas miden el mismo valor, entonces hay cloro. Estas pruebas también son útiles para comprobar la completa remoción de desinfectante por los filtros de carbón activado. Realizar pruebas frecuentes de los filtros de agua cuando el carbón ha sido usado por un largo periodo. Hay también algunos métodos de laboratorio para comprobar la presencia de desinfectantes en el suministro de agua. Un método simple es dejar un vaso de agua pasar la noche y en la mañana verter el agua en dos vasos y oler. Si huele y sabe a cloro entonces es más probable que tenga cloraminas porque la mayoría del cloro
debería de haberse evaporado. Tal vez quieras comparar el olor con un vaso fresco de agua para comparar la intensidad. Independientemente, es siempre bueno oler y probar una muestra fría de tu agua antes de hacer cerveza con ella. El agua clarificada es después finamente filtrada con arena o filtros para remover micropartículas y microbios. Después de la filtración, el agua está lista para los pasos finales, ajustar el pH y desinfección. Ajustar el pH debe ser realizado con cal, soda caustica o adiciones de acido para mover el pH del agua terminada dentro de un rango aceptable para evitar la corrosión o aumentar la utilidad de las cañerías de los usuarios. Una desinfección residual es necesaria en las cañeras para prevenir la contaminación y crecimiento crecimiento bacteriano después después que el agua deja la planta de tratamiento. La desinfección usualmente incluye la adición de cloro, o cloro y amonio (para crear cloramina) al agua terminada. El cloro es muy volátil y fácil de remover exponiéndolo al aire o calor. Sin embargo, una gran cantidad se requiere en verano para asegurar que es suficiente la cantidad que se retiene en las cañerías para que haga el trabajo. El cloro es un desinfectante muy efectivo, pero las grandes cantidades generan olores y gustos objetables y es responsable de los llamados “subproductos de la desinfección” (DBP) cuando reacciona con materia orgánica natural (NOM). NOM a
veces se encuentra en las fuentes de agua superficial e infrecuentemente en las fuentes de agua subterráneas. Algunos DBP son consideras cancerígenos. Cloraminas son usadas en vez del cloro para la desinfección para reducir la formación de DBP. Cloraminas son una familia de compuestos de cloro y el amonio que son relativamente estables en los suministros de agua y permanecen efectivas más tiempo que el cloro. Las cloraminas son menos volátiles que el cloro y la mayoría de los consumidores se dan menos cuenta que del cloro en el agua. Sin embargo, las cloraminas son menos efectivas para destruir microbios y una mayor cantidad de los mismos son necesarios para lograr la misma desinfección. Su baja volatilidad y mayor dosis las hace más difícil de remover para el cervecero. La remoción de desinfectantes se discutirá más en próximos capítulos. En el próximo capítulo, describiremos un típico reporte de agua (de Estados Unidos) y discutiremos la mayoría de los puntos necesarios a tener en cuenta para elaborar cerveza.
3 Cómo leer un reporte de agua. La mejor forma de usar algo de manera correcta es entendiéndolo, conocer cómo se hace y conocer cómo funciona. Sin entrar en mucho detalle, es suficiente decir que el agua es única y deriva sus propiedades únicas de la forma de su molécula. El agua es un solvente polar, lo que significa que cada molécula de agua tiene polos, o cargas positivas y negativas en los extremos. La parte del hidrógeno de la molécula está cargada más positivamente que la parte del oxígeno, debido a la distribución de los electrones. La polaridad en la molécula le permite atraer otras moléculas polares, como el cloruro de sodio, sulfato de calcio y carbonato de calcio. Las moléculas moléculas polares con frecuencia se disocian (dividen) en iones positivos y negativos bajo la influencia influencia de solventes polares. Ver el recuadro de las reglas normales de solubilidad de sustancias iónicas en agua. La molécula de agua está compuesta por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. La forma de la molécula se debe a que comparten los electrones entre los átomos. Los dos hidrógenos comparten cada uno un electrón con el núcleo de oxígeno como los vértices de un tetraedro. La presencia de los hidrógenos distorsiona un poco la forma y los dos hidrógenos terminar estando a 104,45º separados en vez que el ángulo normal de un tetraedro de 109º.
Figura 10: Diagrama de una molécula de agua.
Las moléculas moléculas no polares no tienen polos porque
las cargar cargar positivas y
negativas están bien distribuidas en la molécula. El agua ha sido llamada solvente universal porque disuelve muchas sustancias, polares como no polares. Como regla general, las moléculas no polares no se disuelven bien en agua, pero algunas se disuelven poco. El agua puede disolver algunas moléculas no polares por el proceso de hidratación, lo que significa que las moléculas del agua son capaces de rodear completamente o “mojar” estas moléculas. El CO 2 es un ejemplo de una molécula no polar que es hidratada por el agua. Otros ejemplos de moléculas no polares con limitada solubilidad son los alfa ácidos del lúpulo, benceno y yodo. Las reacciones térmicas o químicas con otras sustancias pueden incrementar la solubilidad de las moléculas no polares, cambiando la sustancia de un sólido suspendió a un sólido disuelto.
Tabla 1- Reglas generales de solubilidad para compuestos inorgánicos en agua.
Ion
Regla
Nitrato (NO 3-)
Todos los compuestos de nitrato son solubles
Cloruro (Cl-)
Todos los compuestos de cloruro son solubles
Sulfato (PO4-3)
Los sulfatos son generalmente insolubles. Excepto los carbonatos de sodio, potasio y amonio.
Carbonato (CO3-2)
Los carbonatos son generalmente insolubles. Excepto los carbonatos de sodio, potasio y amonio.
Silicato (SiO4-4)
Los silicatos son generalmente insolubles. Excepto los carbonatos de sodio, potasio y amonio.
Hidróxido (OH-)
La mayoría de los hidróxidos son insolubles, excepto los de litio, sodio, potasio y amonio. Bario es moderadamente soluble. Calcio y estroncio tienen limitada solubilidad.
Sulfuro (S-2)
Todos los sulfuros son insolubles, excepto los sulfuros de metales alcalinos como sodio, potasio, amonio, magnesio, calcio y bario
Sodio (Na+), Potasio
Son solubles, excepto algunos pocos compuestos que incluyen a un metal
(K+), Amonio (NH4+)
pesado como K2PtCl 6
¿Qué es un ion?
Un ion es un átomo o grupo de átomos que tienen una carga neta positiva o negativa, debido a la pérdida o ganancia de un electrón. Un compuesto iónico es una molécula polar compuesta por dos o más iones que permanecen justos por uniones iónicas (ej. Atracción electrostática). La carga eléctrica de un ion es indicada por un superíndice después del símbolo químico del ion. Los iones cargados positivamente son llamados cationes y los cargados negativamente son llamados aniones. Por ejemplo, el mineral cloruro de sodio (Na Cl) se separa en un catión Na + y en un anión Cl-. EL mineral hidratado Cloruro de Calcio (CaCl 2.2H2O) se disocia en Ca +2, 2Cl- y 2H2O. Notar que la suma de las cargas positivas y negativas para cada producto de la ionización de un compuesto es siempre 0. Por ejemplo, la carga +2 del calcio y las 2 cargas -1 del cloruro suman 0. A través de este texto, nos vamos a referir tanto a los minerales disueltos y/o iones y representan esencialmente la misma cosa, si nos referimos a un mineral como el sulfato de calcio o carbonato de calcio en el agua, estamos asumiendo que se encuentra disuelto y disociado, de acuerdo con los limites naturales como es su solubilidad. Este es un buen momento para manifestar que la suma de los cationes y aniones disueltos en el suministro de agua deben sumar 0 también. Si no lo hacen, puede ser que la composición declarada sea una lista de promedios o sea el resultado de diferentes pruebas para diferentes iones tomadas a lo largo del año. El punto es que la concentración de cargas de los iones disueltos en el agua debe ser de suma 0 en cualquier momento. Esto se desarrolla mejor en el capítulo 6 y en el apéndice D.
Parámetros de un reporte de calidad de agua.
Varios minerales y compuestos se encuentran naturalmente en el agua, disueltos en solución de varias fuentes ambientales. Algunos compuestos hechos por el hombre pueden también ser encontrados en el agua, pero estos son usualmente indeseados y nos referimos a ellos como contaminantes. Los contaminantes pueden ser naturales también: moho, bacterias, etc. Son contaminantes que están en el agua de forma natural. Como hemos discutido en el capitulo anterior, el principal propósito del tratamiento de agua es remover estos contaminantes y el propósito del reporte de
agua es informar al público sobre los tipos de niveles de esta sustancias en el suministro de agua. Vamos a comenzar nuestra revisión de un reporte de agua identificando los constituyentes claves, iones, químicos y compuestos principales en el suministro típico de agua. Después, vamos a mostrar donde encontrarlos en un típico reporte de agua (de Estados Unidos). Actualmente, no hay algo así como un reporte tipo sobre el agua. En Estados unidos, la Agencia de protección medioambiental y el acta de agua limpia dictan las pruebas y divulgación de una lista especifica de contaminantes perjudiciales, la cual no incluye los iones más importantes para los cerveceros (calcio, etc.). A menudo estos iones son incluidos en un reporte de agua, pero esta decisión depende del proveedor de agua. Los reportes típicos de la calidad de agua se concentran en si el agua cumple con las leyes sobre agua segura para tomar en cuanto a contaminantes como pesticidas, microorganismos y metales tóxicos. Estos ítems están regulados por máximos niveles de contaminantes (MCL) y hacen referencia al “ Estándar para el agua Estados Unidos. Unidos. Los Los MCL son estándares estándares primaria potable” de los Estados
ejecutables
legalmente para la calidad del agua que protegen la salud pública. Mientras que los estándares primarios son importantes asegurando la calidad del agua, como cerveceros, estamos más interesados en los estándares secundarios o estéticos del agua potable. Estos estándares son una guía para los parámetros que afectan el gusto, pH, la escala de carbonatos y suelen ser especificados como niveles máximos de contaminantes contaminantes secundarios (SMCL) que no son ejecutables legalmente, legalmente, al menos en los Estados Unidos. En muchas zonas, la fuente del suministro de agua puede cambiar estacionalmente y puede haber una gran diferencia en las características para la elaboración de cerveza. Los cerveceros deben contactar con el departamento de agua al menos una vez por mes para requerir información. El departamento de agua usualmente está predispuesto a suministrar información sobre los estándares secundarios para cerveceros. De todos modos, no son hechas todas las pruebas de los parámetros que le interesan a un cervecero. En ese caso, el cervecero debe hacer las pruebas del agua en un laboratorio externo o hacer un chequeo casero de los parámetros en cuestión.
El costo de los equipos y reactivos para las pruebas caseras puede, sin embargo, llegar a ser prohibitivo. De los parámetros de interés para el cervecero, los principales iones que afectan el agua para la elaboración de cerveza son calcio, magnesio y la alcalinidad total como CaCO 3, aunque a veces de forma inadecuada se enlista como bicarbonato (HCO 3-). Su interacción en la olla de macerado, olla de hervor y fermentador influencia el pH y otros factores a través del proceso de elaboración. Sodio (Na+), Cloro (Cl -) y sulfato (SO 4-2) pueden influenciar el gusto del agua y de la cerveza, pero generalmente no afectan el pH o el desarrollo de la fermentación como si lo hacen los primeros 3 iones mencionados más arriba. Las concentraciones e iones en el agua se representan como partes por millón (ppm) o miligramos por mililitro (mg/l), las cuales son equivalentes en soluciones diluidas como el agua de beber, un litro de la cual pesa un quilo.
Tabla 2. Parámetros claves para la elaboración de cerveza de un reporte de calidad de agua de la fuente de agua. Los estándares primarios tienen un máximo nivel de contaminante (MCL) que son requerimientos ejecutable legalmente en USA. Los estándares secundarios son una guía oficial y tienen niveles máximos de contaminantes secundarios (SMCL). Las normas no reguladas son las directrices de la industria. Las recomendaciones para elaborar cerveza son indicadas en itálica. Estas recomendaciones son para la fuente de agua solamente. Técnicas para el tratamiento del la fuente de agua son discutidas con más detalle en el capítulo 8.
Componente
Categoría
Parámetros (ppm)
Porque
Alcalinidad (como
Desregulada
0-100 Brewing
Alta alcalinidad es problemática
CaCO3)
en el macerado y promueve las incrustaciones
cuando
se
combina con calcio y magnesio Bromato
Primaria
<0,01 MCL
Subproducto de la desinfección.
<0,01 brewing
Contaminante
industrial.
Cancerígeno Calcio
Desregulado
50-150 brewing
Fermentación, claridad, pH de macerado
Cloro
Primaria
Cloruro
Secundaria
Cobre
Secundaria
<4 MCLG
Residuo de la desinfección causa
0 brewing
malos olores en la cerveza
<250 SMCL
Aromas de la cerveza, enfatiza el
0-100 brewing
carácter maltoso
<1 SMCL
Nutriente que es toxico a altas
<1 brewing
dosis. Cataliza la oxidación en la cerveza.
Acido Haloacético
Primaria
(HAA5) Hierro
Secundaria
Magnesio
Desregulada
<0,06 MCL
Subproducto de la desinfección,
<0,06 brewing
probablemente cancerígeno
<0,3 SMCL
Mal olor, incrustaciones riesgo de
0 brewing
corrosión.
0-40 brewing
Fermentación, claridad, pH de macerado, también aportado por la malta.
Manganeso
Secundaria
Nitrato
Primaria
Nitrito
Primaria
Silicato
Secundaria
Sodio
Desregulada
<0,05 SMCL
Mal
aroma,
incrustación,
0 brewing
precipitación causa “gushing”.
<10 MCL (N)
Exceso de nitrato derivados de la
<44 (NO3-)
agricultura.
<44 brewing
reducirse a nitritos.
<1 MCL (N)
Es veneno para las levaduras
<3 MCL (NO2)
debido a que es un preservante
<3 brewing
de alimentos
<25 SMCL
Incrustaciones. Daña membranas
<25 brewing
y sistema de caldera. c aldera.
0-50 brewing
Aroma de la cerveza, menos es
Nitratos
pueden
generalmente mejor Sulfatos
Sólidos
Secundaria
totales
Secundaria
disueltos
<250 SMCL
Aroma de la cerveza, enfatiza el
<250 brewing
carácter del lúpulo y la sequedad.
<500SMCL
Indica
<500 brewing
potencial
alta
mineralización aumento
y de
incrustaciones Trihalometanos
Primaria
(THM) Turbidez
Secundaria
<0,1 MCL
Subproducto de la desinfección y
<0,1 brewing
cancerígeno.
<0,5ntu SMLC
Su
<0,5 ntu brewing
contaminación
aumento y
indica aumento
potencial de las incrustaciones.
Estándares primarios.
En la siguiente sección, varias de las sustancias del acta US EPA/Clean Water para agua potable son enlistadas con un nivel de requerimiento máximo de contaminante (MCL). Si el nivel de requerimiento para una sustancia en particular no fue ratificado aun, la meta de nivel máximo del contaminante (MCLG) es enlistado. Un MCLG es una meta de salud no exigible. Las directrices para la fuente de agua para elaborar cerveza, basada en notables textos cerveceros (ver referencias), son listadas para todas las sustancias de forma consistente, sin embargo una guía en particular no fue determinada. En esos casos, la directriz se da como “indeterminada”. En algunos casos, como con el cloro residual, la directriz es simple “tan bajo como sea posible” y estará listado como “objetivo 0”. Esta no es una lista completa debido
a
consideraciones de espacio. Contaminantes raros como antimonio o talio están fuera, como lo están muchos compuestos orgánicos contaminantes como Dalapon (herbicida). Una lista completa puede encontrase en sitio web de US EPA (www.epa.gov).
Arsénico MCL = 0.01 ppm Directriz agua para cerveza = meta 0 La solubilidad del arsénico en agua es muy baja, su presencia indica contaminación por los operadores mineros o de depósitos de suelo/piedra. Es su forma particular, el arsénico puede ser eliminado por filtración convencional a través de un filtro de 0,45micrones o menos. El arsénico disuelto ocurre tanto de forma orgánica como inorgánica. Generalmente, la forma inorgánicas es mas tóxica. Si está en la forma orgánica, como en una cadena de polímeros, puede ser eliminado por coagulación y filtración o por adsorción en un medio de carbón activado-resina. Si esta en forma inorgánica, varios tratamientos existen. Estas opciones de tratamiento comúnmente incorporan sorbentes (intercambiador iónico, alúmina, hiero), oxidantes (“arenas verdes”, cloración, ozonización) o filtración/precipitación (osmosis inversa,
ablandamiento con cal).
Bario. MCL = 2 ppm Directriz agua para cerveza = <2ppm El límite de solubilidad típica en la mayoría de las aguas para el barrio es de menos de 0,1ppm y es raro encontrarlo en concentraciones superiores a 0,05ppm. Es un estándar primario porque sus compuestos solubles son venenosos como neurotóxicas, pero principalmente esta con sulfato de bario o carbonato de bario el cual es muy insoluble y no toxico. De hecho, el sulfato de bario es consumido para imágenes de rayo X. El bario puede ser removido del agua usando un intercambiador iónico, osmosis inversa y ablandado con cal.
Bromo/bromuro MCL = 0.01 ppm Directriz agua para cerveza = meta 0 El bromo es encontrado comúnmente en el agua de mar en una concentración de 65ppm. Es un químico industrial común y pude ser encontrado en los desechos industriales, pesticidas y biocidas residuales. Solo se encuentra en concentraciones muy bajas en el agua fresca, su presencia en concentraciones mayores de 0,05ppm pueden indicar contaminación por desechos industriales o pesticidas. El bromato y el bromuro son subproductos de la desinfección. Bromuro se oxida a bromato mediante la desinfección con ozono. El bromuro y el bromato pueden ser removidos del agua con un intercambiador iónico, carbón activado y osmosis inversa.
Cadmio MCL = 0.005 ppm Directriz agua para cerveza = meta 0 El cadmio es un metal pesado toxico y puede estar naturalmente, pero es más probable que aparezca debido a la corrosión del acero galvanizado, en el cual es un elemento traza. El cadmio es un contaminante industrial y es usado en baterías, pinturas y revestimientos para proteger de la corrosión. Se puede remover con intercambiador intercambiador de iones, absorción con hierro u osmosis o smosis inversa.
Cloro residual MCL = 4 ppm Directriz agua para cerveza = meta 0 Este parámetro incluye el cloro de las adiciones de cloramina como también el cloro. El cloro y las cloramina son desinfectantes muy efectivos y actúan oxidando las membranas celulares de los microorganismos y rompiendo las células. EL exceso de cloro residual pude llevar a altos niveles de subproductos de desinfección que pueden ser peligrosos para la salud y generar malos aromas en la cerveza. Los compuestos de clorofenol medicinal son un ejemplo de mal aroma. El cloro residual y cloramina deben ser removidos antes de usar el agua en la elaboración de cerveza. Si bien el máximo nivel residual de desinfección es 4ppm, en ciertas ocasiones se súper clora el suministro (ej. El verano tardío) para asegurar una desinfección residual residual en las tuberías de distribución. Los cerveceros deben ser consientes que un paso adicional para remover el cloro puede ser requerido ocasionalmente, como ser filtración con carbón activado o neutralización química. EL cloro oxida y destruye los equipos de filtración por membranas.
Cromo MCL = 0.1 ppm Directriz agua para cerveza = indeterminado. El cromo viene en diferentes formas, pero solo una (Cr +6) es potencialmente cancerígena. Esta forma solo es encontrada como resultado de contaminación industrial, no ocurre naturalmente. El cromo, como otros metales traza como el zinc, es un suplemento nutricional humano. EL cromo puede ser removido por intercambio iónico, absorción con hierro o osmosis inversa.
Cianuro MCL = 0.2 ppm Directriz agua para cerveza = meta 0 Es una toxina y contaminante contaminante industrial. Usado en pigmentos, plásticos y baños de enchapado. Puede ser removido por el intercambio iónico, y filtración con carbón activado.
Fluoruro MCL = 4 ppm Directriz agua para cerveza = meta 0 El fluoruro, un halógeno como el cloruro y el ioduro, pude ser encontrado en varios minerales. Es agregado al agua en 1,5-2,5ppm para ayudar a proveer protección contra las caries. Concentraciones arriba de 5ppm pueden causar fragilidad y manchas en los dientes. Aguas residuales de las operaciones con vidrio, acero y fundiciones puede tener concentraciones mucho más altas. La precipitación con cal puede hacer caer la concentración hasta 10-20ppm. Otros procesos para remover son la osmosis inversa, carbón granular activado y alúmina activado.
Plomo MCLG = 0 ppm Directriz agua para cerveza = meta 0 El límite en el agua potable es 0,015ppm, el cual es fácil de conseguir en plantas modernas para tratar agua. La principal fuente de contaminación en estos días es el desecho de la metalúrgica o desechos que contengan plomo de la industria. El plomo también puede aparecer debido a la corrosión de aleaciones que contengan plomo como latón latón o soldadura soldadura estructural. estructural. Las soldaduras soldaduras modernas son a base base de la aleación de plata-estaño y no contienen plomo. Los niveles de plomo en el latón son típicamente bajo, menos del 5% del peso. Todas las soldaduras en los Estados Unidos después de 2014 debían ser libres de plomo. El plomo es fácilmente disuelto por cáusticos. El plomo también puede ser disuelto y unido por orgánicos, los que necesitan de oxidación para la completa remoción. El plomo puede ser removido por el ablandado con cal, intercambio iónico y osmosis inversa.
Mercurio MCL = 0.002 ppm Directriz agua para cerveza = meta 0
El mercurio es típicamente un contaminante industrial, pero puede aparecer de forma natural. Puede ser reducido por ablandamiento con cal, intercambio iónico, osmosis inversa y carbón activado.
Nitrato MCL = 44 ppm Directriz agua para cerveza = <44 ppm El nitrato entra en el agua a través del ciclo del nitrógeno (plantas) o por pérdida de la agricultura como fertilizantes. Nitratos pueden ser convertidos a nitritos en condiciones anaeróbicas (ej. Fermentación), envenenando las levaduras y perturbando el ciclo de fermentación. El nitrato es también perjudicial para la salud humana por un mecanismo similar. Los nitratos son particularmente dañinos para los niños, pero es tolerado por adolecentes y adultos. Algunos laboratorios reportan el nitrato como nitrógeno y se describe como (NO 3-N). 1ppm (NO3-N) es igual a 4,43ppm, (NO3-1). Nitratos pueden ser removidos por intercambio iónico u osmosis inversa. La filtración con carbón activado no es efectiva.
Nitrito MCL = 3 ppm Directriz agua para cerveza = <3 ppm El nitrito es usado en la curación de carne y puede reducir el hierro en la hemoglobina de ferroso a férrico, el cual disminuye la habilidad para transportar oxigeno por el cuerpo humano. Los nitritos son particularmente dañinos en niños, pero son tolerados en mayor concentración en adolecentes y adultos. Los nitritos pueden ser removidos por intercambio iónico u osmosis inversa. La filtración con carbón activado no es efectiva.
PCE MCL = 0.005 ppm Directriz agua para cerveza = meta 0 Tetracloroetileno, PCE o PERC, es un solvente incoloro industrial usado predominantemente en tintorerías y acabados de metales. La mayor fuente de PCE en
agua para tomar son los desechos de las industrias y tintorerías. La exposición a altas concentraciones por periodos largos de tiempo puede traer daño en el hígado y aumentar el riego de cáncer. En la actualidad hay 21 compuestos orgánicos volatices como el PCE que también tienen MCL. PCE puede removerse con carbón activado.
TCE MCL = 0.005 ppm Directriz agua para cerveza = meta 0 Tricloroetileno (TCE) es un solvente industrial y es usado comúnmente como desengrasante de metales por los últimos 50 años, sin embargo en la actualidad está completamente restringido por su alta vaporización y solubilización en el agua subterránea. La exposición a TCE tiene efectos similares al PCE. EL TCE puede removerse con carbón activado.
Total de bacterias coliformes MCL = <5% de detección en muestras Directriz agua para cerveza = meta 0 La presencia de bacterias coliformes indica contaminación del suministro de agua por desechos humanos, alcantarillado o aguas pluviales. No es una amenaza para la salud en si mismo pero es una prueba como indicador de la presencia de otras bacterias potencialmente dañinas como el cólera. Calentando o el uso de desinfectante desinfectante es efectivo para la destrucción de los coliformes.
Acido Haloacético total (HAA5) MCL = 0.06 ppm Directriz agua para cerveza = meta 0 HAA5 es un subproducto de la desinfección y está asociado al aumento en el riesgo de cáncer. Los ácidos halo-acéticos son formados cuando los átomos de hidrogeno del acido acético son remplazados por átomos del grupo de los halógenos. Los cinco más comunes en el agua son nombrados como HAA5, los cuales son acido monocloroacetico (MCA, ClCH2COOH), acido dicloroaceto (DCA; Cl 2CHCOOH) acido tricloroacetico (TCA, Cl 3CCOOH), acido nobromoacetico (MBA, BrCH 2COOH) y acido
dibromoacetico (DBA, Br 2CHCOOH). Los métodos de osmosis reversa y filtración con carbón activada son efectivos
Trihalometanos totales (TTHM) MCL = 0.08 ppm Directriz agua para cerveza = meta 0 TTHM son compuestos orgánicos clorados encontrados principalmente en el agua como subproductos de la desinfección. Específicamente, estas sustancias son cloroformo, dibromoclorometano, bromodiclorometano y bromoformo. La formación es estimulada por agua que contiene precursores orgánicos, tratamientos de pre cloración y cloro libre (residual). Estudios en animales (a niveles más altos que los requerimientos) han unido la exposición durante largos periodos de tiempos con efectos sobre el sistema nervioso central, hígado, riñones y corazón. Aireación, oxidación, carbón activado son métodos efectivos para removerlos.
Turbidez Directriz agua para cerveza = 0-0.5NTU (unidad nefelometrica de turbidez) La turbidez es una medida de la claridad del agua como una función de los sólidos suspendidos en el agua. Estos sólidos incluyen arena fina, limo, arcilla, vegetación en descomposición, algas, bacterias, etc. La turbidez es un indicar que tan bien el agua fue filtrada antes de la distribución. Elevada turbidez aumenta la oportunidad de que el agua sea de calidad insegura. La turbidez puede reducirse por filtración estándar. Puede ser medida de varias maneras. El método preferido es el de las unidades de turbidez nefelometricas o NTU, el cual encandila la muestra con una fuente de luz incandescente y mide la intensidad de luz dispersada en un ángulo recto a la muestra. Un método previo, unidad de turbidez Jackson, utilizaba una vela y medía la trasmitancia trasmitancia de la luz a través de la muestra.
Normas secundarias.
Aluminio
SMCL = 0.2 ppm Directriz agua para cerveza = <0.2 ppm El metal aluminio es relativamente insoluble en agua por lo que la presencia de iones de aluminio se debe a los tratamientos de coagulación o floculación que usan sales de aluminio. Los fosfatos, silicatos y óxidos de aluminio depositados pueden ser problemáticos en los sistemas de enfriado de agua. EL aluminio es mas soluble a bajo (<4) y alto (>10) pH.
Cloruro (ion) SMCL = 250 ppm Directriz agua para cerveza = 0-100 ppm. El cloruro es común en la mayoría de los suministros de agua. El ion cloruro ayuda a acentuar la dulzura de la malta y la plenitud de la cerveza, pero niveles mayores a 250ppm en la cerveza hacen que sea pastosa o salada. Niveles mayores a 300ppm afectan la salud de las levaduras. Elevados niveles de cloruro pueden llevar a un aroma mineral o saldo cuando se combina con sulfato o sodio. Cloruro no está relacionado con el cloro residual y no tiene los mismos efectos en la desinfección. desinfección.
Cobre SMCL = 1 ppm Directriz agua para cerveza = <1 ppm La fuente más común del cobre en el agua es la corrosión de las soldaduras y cañerías de cobre, o puede ser residual de adiciones de sulfato de cobre para controlar algas en reservorios. El cobre es toxico en altas concentraciones, pero 200milgramos por kilo del peso corporal es la dosis mínima letal. Pequeñas cantidades de cobre son benéficas en el mosto para reducir sulfuros y otros compuestos de sulfuro como H 2S en la cerveza. Las levaduras son buenas carroñeras del cobre porque es un nutriente esencial y cobre residual no es encontrado en cerveza. El exceso de cobre puede ser reducido con el ablandado con cal, intercambio iónico u osmosis reversa.
Hierro SMCL = 0.3 ppm
Directriz agua para cerveza = meta 0 La forma más soluble del hiero es ferroso (Fe +2). El hierro en el agua sabe a metálico o sangre. Altos niveles de hierro pueden conllevar corrosión de cañerías de acero inoxidable, sobre todo en combinación con cloruros y sulfuros. El hierro se puede remover por filtración después de aireación u oxidación. También puede ser removido por intercambio iónico u osmosis inversa.
Manganeso SMCL = 0.05 ppm Directriz agua para cerveza = <0.1 ppm El manganeso está presente en muchos suelos y fácilmente en agua que está libre de oxigeno. EL manganeso se acumula en sedimentos y puede ser encontrado en concentraciones más altas en depósitos de agua profundos. Es un metal con el cual es difícil de lidiar porque fácilmente forma complejos con materiales orgánico y puede precipitar después con cambios en el pH, en el equilibrio de especies de carbonato o los niveles de oxigeno. Fuentes de agua que se toman de las partes más profundas de los lagos tienen altos niveles de manganeso donde los niveles de oxigeno son bajos. Estos niveles pueden variar estacionalmente debido a la inversión térmica en primavera y otoño, disminuyendo cuando el agua oxigenada de la superficie se mezcla con el agua en el fondo. A niveles relativamente altos (>2ppm), manganeso está asociado al “gushing” por la precipitación, pero es necesario como nutriente para las
levaduras a bajos niveles (0,1ppm). El manganeso puede ser removido por filtración después de una oxidación, intercambio iónico, arenas verdes u osmosis inversa.
pH (del agua) SCML = 6.5-8.5 Directriz agua para cerveza = 5-9.5 La US EPA recomienda un pH del agua de 6,5-8,5 para proveedores de agua potable y de 5,5-11 para agua residual de descarte antes de ser tratada. Valores más allá de estos requieren de pre tratamientos. El pH es discutido más adelante en profundidad. En general, el pH del suministro de agua tiene pequeño efecto en la elaboración de cerveza. El pH del agua de suministro nos puede dar pistas sobre el
origen y los tratamientos del agua antes de llegar a la cervecería. Hay que tener precaución sobre pH extremos en el agua de suministro. s uministro.
Sulfato SMCL = 250 ppm Directriz agua para cerveza = 0-250 ppm El ion sulfato acentúa el amargor del lúpulo, haciendo al amargo parecer más seco y fresco. A una concentración mayor a 400ppm sin embargo, el amargor puede volverse astringente y desagradable. desagradable. El sulfato es un débil alcalino y no contribuye a la alcalinidad del agua. Es recomendable que la fuente de agua sea menor antes que mayor en sulfatos porque siempre puede ser agregado, pero no es fácilmente removible. Las sales de sulfato son muy solubles pero pueden ser removidas por intercambio iónico u osmosis inversa.
Sólidos totales disueltos (TDS) SMCL = 500 ppm Directriz agua para cerveza = <500 ppm Los sólidos totales disueltos son lo que queda cuando el agua es evaporada. Algunos son sales, algunos orgánicos y otros son residuos químicos. Los TDS del agua son útiles para propósitos industriales, pero no es muy útil para describir la calidad del agua para hacer cerveza. EL valor de TDS es un indicador rápido de que tan mineralizada un fuente potencial esta. En general, un agua con alto TDS tiende a producir más incrustación de carbonato que el agua con bajo TDS. El agua con alto TDS tiende a ser mas corrosiva que le agua con bajo TDS, aunque la corrosión depende de los materiales específicos envueltos. Monitoreando los TDS de la fuente de agua con una prueba de conductancia es una buena manera de estar alerta a un cambio repentino en la fuente de suministro de agua.
Prueba de sólidos totales disueltos (TDS)
TDS es determinada en laboratorio. Una muestra de agua es filtrada para remover cualquier material en suspensión que pueda sesgar la prueba. Un volumen medido de
agua filtrada es calentado hasta evaporación total del agua, dejando el contenido disuelto. La masa del contenido disuelto es medida y dividida por el volumen inicial de la muestra pare determinar el resultado, expresado en miligramos por litro (mg/l). En las soluciones diluidas típicas del agua potable, mg/l es equivalente a partes por millón (ppm). TDS también puede ser estimada mediante las características conductivas del agua. Un método especializado es usado para medir la conductividad del agua. Esta conductividad puede ser correlacionada con los TDS con la siguiente fórmula:
TDS (ppm) = Conductividad /(µS/cm)x F
Donde F es un factor de conversión que varía entre 0,54 y 0,96, con un valor típico de 0,67. La conductividad es medida en micro siemens (µS) por centímetro. Los medidores de TDS que brindan una lectura directa de TDS son conductímetros que realizan la conversión a través de la ecuación anterior. Los medidores de TDS pueden ser un buen control para el agua que sale de la canilla o de la efectividad de los tratamientos de desmineralización desmineralización
Zinc SMCL = 5 ppm Directriz agua para cerveza = 0.1-0.5 ppm El metal zinc es menos soluble generalmente en agua que el calcio pero se disuelve fácilmente en ácidos. Los niveles naturales del agua potable son normalmente menores de 1ppm, cercanos a 0,05ppm. El SMCL para el zinc de 5ppm se basa en un umbral de sabor. Un sabor astringente puede notarse a esos niveles. Sin embargo, el zinc es un nutriente vital para las levaduras y los niveles recomendados en el mosto para una fermentación óptima son 0,1-0,5ppm. Concentraciones mayores de 0,5ppm pueden causar sobreactividad y malos sabores en la cerveza. EL zinc es usado comúnmente para inhibir la corrosión de productos. Puede ser removido del agua a través del intercambio iónico, ablandado con cal u osmosis inversa.
Normas no reguladas /estéticas.
Boro Directriz agua para cerveza = indeterminado El boro se comporta como el cilicio en la mayoría de los sistemas acuosos y no es peligroso. Se usa para ajustar el pH y buffers en sistemas de refrigeración refrigeración cerrados.
Calcio Directriz agua para cerveza = 50-150 ppm. El calcio es el ion principal que determina la dureza del agua potable. Es necesario para las levaduras, enzimas y reacciones de proteínas tanto en el macerado como en el hervido. Reacciona con el fosfato de la malta en el macerado y precipita como fosfato de calcio. El calcio promueve la claridad, aroma, y estabilidad en la cerveza terminada. Promueve la coagulación de proteínas y floculación de levadura. La adición de calcio puede ser necesaria para asegurar la actividad enzimática suficiente en el macerado en agua donde el calcio es bajo. Por otro lado, una concentración de calcio muy alta en el mosto (>250ppm debido a la adicción de yeso) puede inhibir que las levaduras adquieran magnesio y puede perjudicar el rendimiento de la fermentación. El calcio puede se reportado de varias formas. Entre las que se encuentra CaCO3, grados Clark, grados Alemanes, grados Franceses, granos por galon americano, mini equivalentes por litro o milivals. En estos casos, la concentración reportada requerirá la conversión a la concentración de calcio en ppm. Las conversiones están en el capítulo 4. El calcio es esencialmente de aroma neutral pero puede reducir de alguna manera la percepción del aroma un tanto amargo del magnesio. Las concentraciones recomendadas de calcio en el agua para elaborar cerveza están entre 50-159ppm. Sin embargo, la cerveza c erveza se puede hacer sin problemas con más o menos calcio que el del rango sugerido. Los oxalatos están presentes en la malta de cebada y reaccionan con el calcio para formar piedra de cerveza (“beerstone”). El oxalato de calcio puede precipitar en cualquier punto del proceso de
elaboración, pero es un problema si precipita en las botellas porque los cristales de oxalato de calcio actúan como sitio de nucleación para el gas y causan espuma y el famoso “gushing”. Es recomendado que el agua tenga suficiente calcio para que la
precipitación se inicie antes en el proceso, como en la olla de macerado o hervido, en vez de en la fermentación fe rmentación o embotellado. Las concentraciones de calcio y magnesio son a menudo referidas como dureza temporaria o permanente La dureza temporaria puede ser removida por hervido o ablandado con cal, donde se combina con bicarbonato para precipitar como carbonato de calcio (CaCO 3). Este es el origen de las unidades “como CaCO 3”. Si la alcalinidad como CaCO3 es mayor que la dureza como CaCO 3 entonces toda la dureza es temporaria. Si la dureza como CaCO 3 es mayor a la alcalinidad como CaCO 3, entonces algo de la dureza permanecerá después del hervido y es dureza permanente. Otros procesos de remoción de calcio incluyen el intercambio iónico y la osmosis inversa.
Magnesio Directriz agua para cerveza = 0-40 ppm. Su comportamiento es similar al calcio en el agua, pero es menos efectivo para reducir el pH de macerado reaccionando con fosfatos. EL magnesio es un nutriente importante para las levaduras para el metabolismo de la piruvato descarboxilaza y debe estar presenta en el mosto en un mínimo nivel de 5ppm. Un mosto de malta de densidad de 1,040 hecho con agua destilada tiene 70ppm de Mg, por lo que es razonable que los mostos hechos completamente de maltas aporten todo el magnesio que las levaduras puedan necesitar. Es posible que un mosto con grandes cantidades de azucares refinados o adjuntos pueda necesitar un adición menor para proveer el mínimo de 5ppm. Niveles mayores a 125ppm tienen un efecto laxante y diurético en quien los toma. Si bien el magnesio es innecesario en el agua para elaborar cerveza, puede ser agregado para resaltar los caracteres de la cerveza como el amargor y el sabor astringente. El Mg puede ser removido del agua mediante el ablandamiento con cal, intercambio iónico u osmosis inversa. Como indicamos más arriba para el calcio, las unidades del Mg pueden estar reportadas en varias unidades. En estos casos, la concentración reportada requerirá la conversión a la concentración de calcio en ppm
Fosfato Directriz agua para cerveza = indeterminada (pero debe ser bajo)
Los fosfatos no son parte de las directrices normales en las fuentes de agua pero pueden ser tanto un contaminante como un aditivo común en los tratamientos del agua. La contaminación proviene de los desechos de la agricultura y desechos industriales, y pueden ser tratados con sales de aluminio o hierro para convertirlos en insolubles y así removerlos por filtración. Los compuestos de fosfatos están presentes en maltas y el mosto. Altos niveles residuales de fosfato son comunes en el agua residual de una cervecería y pueden ser tratados tanto aeróbicamente como anaeróbicamente. También pueden ser removidos por intercambio iónico u osmosis inversa.
Potasio (K) Directriz agua para cerveza = <10 ppm La solubilidad de las sales de potasio es muy similar al sodio, pero es mucho menos frecuente en los suministros naturales de agua. Altos niveles de potasio en las fuentes de agua pueden deberse a exceso de sal, por ejemplo agua con alta turbidez. Los iones de potasio tienen gusto salado a concentraciones mayores que 500ppm. El mosto y la cerveza tienen relativamente relativamente una concentració concentración n natural alta de potasio potasio (300-500ppm), debido a la malta. De todos modos aguas blandas con potasio son tan malas como aguas blandas con sodio. Sin embargo, puede preferirse a las sales de sodio como una medida de aumentar el contenido de iones de la cerveza si la contribución inicial de las maltas lo permite. El potasio puede ser removido por osmosis inversa.
Sílice Directriz agua para cerveza = <25 ppm El sílice siempre está presente en el suministro de agua y muchos minerales pueden ser extraídos como silicatos de la cascara de los granos. Altos niveles pueden causar un escurrimiento lento del drenado y turbidez (“haze”) en la cerveza. La mayoría del sílice en el agua existe como sílice coloidal, lo que significa que existe como pequeñas cadenas poliméricas de diferentes tamaños. Las cadenas muy cortas tienden a disolverse en solución, y las largas a suspenderse. Estos coloides pueden ser concentrados por evaporación. Los tratamientos que remueven sílice incluyen la
absorción en precipitados de magnesio en el ablandamiento con cal, adsorción sobre hidróxido férrico en el proceso de coagulación usando sales de hierro, intercambio de iones en el proceso de desmineralización y osmosis inversa. El sílice puede combinarse con calcio y magnesio para producir incrustaciones gruesas en tuberías y pueden dañar las membranas de las osmosis inversa. Si la osmosis inversa es usada para reducir los altos niveles (>30ppm), entonces la extracción debe limitarse al 50% para evitar daños prematuros.
Sodio Directriz agua para cerveza = 0-50 ppm. El sodio puede estar en niveles muy altos en el agua potable, particularmente si el agua es ablandada con un ablandador basado en sales (ej. Intercambio ionio). En general, el agua ablandada no es recomendable para la elaboración de cerveza, sin embargo hay alguno casos donde un ablandamiento controlado es útil para remover depósitos de hierro y magnesio a pesar de un aumento en sodio. Niveles de sodio de 50-150ppm, redondean el aroma de la cerveza y acentúan la dulzura de la malta, especialmente asociados con cloruro. Los iones de sodio pueden producir un sabor salado en concentración de entre 150 a 200ppm y pueden ser áspero y acido en exceso, especialmente a concentraciones mayores a 250ppm. Hacer cerveza con concentraciones bajas va a producir generalmente un aroma limpio en la cerveza. La combinación de concentraciones altas de sodio y sulfato van a generar un sabor mineral muy áspero o agrio/amargo.
Conductancia especifica Directriz agua para cerveza = indeterminada La conductancia especifica o conductividad es una medida general de la habilidad de la solución para conducir una corriente eléctrica y esta depende del tipo y calidad de las sustancias disueltas No sirve para comparar diferentes fuentes de agua, pero es útil para ser correlacionada con TDS. El agua pura debería tener teóricamente una conductividad de 0, pero esta levemente disociada a pH7 y tiende a ser de 1 micro-mho/cm. El agua de mar tiene una conductividad típica de 37,2 micro-mhos/cm (un mho es la inversa de un ohm, la unidad para la resistencia eléctrica).
Alcalinidad total Directriz agua para cerveza = <100 ppm La alcalinidad total es posiblemente el parámetro mas impórtante para el cervecero, porque tiene el mayor efecto en el rendimiento del macerado. La alcalinidad es definida como la cantidad de acido fuerte, en mini equivalentes por litro, que son necesario para convertir el carbonato y bicarbonato de la muestra en dióxido de carbono, a pH4.3. Dependiendo del pH inicial de la muestra de agua. La porción del carbonato tanto como del bicarbonato en la alcalinidad pueden ser parte de la titulación y la totalidad se define como alcalinidad total. Si el pH del agua inicial es mayor a 8.3, la alcalinidad del carbonato es definida como la cantidad de acido requerída para titular hasta 8.3pH. Esto se refiere como Alcalinidad P y es típicamente medida usando una solución indicadora de fenolftaleína. Si el pH inicial del agua es menor a 8.3, la contribución del carbonato no es significativa y la solución es típicamente titulada el indicador “metil naranja”, el cual tiene un rango de color de 3.2 -4.4 de pH. Esta
porción de la titulación dominada por el bicarbonato es llamada alcalinidad M. la alcalinidad total es la sumas de esta dos alcalinidades. El volumen total de acido requerido para llevar el pH a 4.3 se convierte a mEq/litro y se multiplica por el peso equivalente de 50 para obtener la unidad “ alcalinidad total como CaCo3”, la cual es ppm de CaCO 3. De todos modos, el cambio de color del metil naranja a 4.3pH se dice que es sutil y difícil de observar adecuadamente. Los parámetros ISO especifican el uso de la solución indicadora bromocresol verde-metil rojo con el pH final en 4.5. La decisión de que punto final de pH usar depende del laboratorio, pero el parámetro ISO es 4.5pH. La diferencia en el cálculo de la alcalinidad total para estos dos puntos no es grande, es del 5% aproximadamente. Esta exactitud es probablemente mejor que la resolución de la mayoría de los equipos de prueba de acuarios o piscinas y es comparable al potencial error introducido en el laboratorio por la medición del volumen de la muestra y de los reactivos. Contactar con el laboratorio es recomendable si el punto final o el el indicador no son especificados en los resultados resultados de alcalinidad. Ver Ver el capitulo 4 para una mejor explicación de la alcalinidad.
Dureza total Directriz agua para cerveza = 150-500 ppm como CaCO 3 La dureza total como CaCO 3 es generalmente igual a la suma de sus dos componentes principales, calcio y magnesio, medidos como CaCO 3, de acuerdo a la ecuación:
Dureza total=50*([Ca]/20 total=50*([Ca]/20 + [Mg]/12.1)
Donde los corchetes indican la concentración del ion en ppm. Esta ecuación convierte las concentraciones individuales a sus equivalentes como CaCO3. Otros iones de metales divalentes como hierro, manganeso, cromo, zinc, etc. también contribuyen a la dureza si están en cantidades significativas, y deben ser añadidos al total. Un ejemplo de un típico reporte de agua es presentado a continuación:
Tabla 3- Reporte de la calidad de agua del distrito de los Ángeles de la LA Aqueduct Filtration Plant (2010). (2010).
Parámetro
Nivel máximo de contaminante (mg/l)
Promedio de entrega (mg/l)
Coliformes Colifo rmes totales
5% de la muestra
Menos de 0.9%
Bifenilos
0.0005
ND
Tetracloroetileno (PCE)
0.005
<0.0005
Tricoloroetileno (TCE)
0.005
<0.0005
Ácidos
0.06
0.027
0.08
0.056
Aluminio
1
<0.05
Arsénico
0.05
0.004
Bario
1
<0.1
Parámetros primarios
policlorados
(PCB)
haloaceticos
totales (HAA) Trihalometanos totales (THM)
Bromuro
0.01
<0.005
Cadmio
0.005
ND
Cobre
(cero)
ND
Fluoruro
2
0.8
Plomo
(cero)
ND
Mercurio
0.002
ND
Nitrato (NO 3)
45
<2
Nitrato + Nitrito (como
1
<0.4
20
3
N) Uranio (picocuries/litro) (picocuries/litro)
Parámetros secundarios /estéticos /estéticos Cloro
(250)
42
Color
(15)
3.5
Agentes espumosos
(0.5)
ND
Hierro
(0.3)
ND
Manganeso
(0.05)
<0.02
pH
(6.5-8.5)
7.4
Plata
(0.1)
ND
Sulfato
(250)
33
Sólidos totales disueltos
(500)
226
Turbidez (NTU
(5)
<0.1
Zinc
(5)
<0.05
Calcio
Indeterminado
25
Magnesio
Indeterminado
8
Fosfato
Indeterminado
0.051
Potasio
Indeterminado
4
Sílice
Indeterminado
17
Sodio
Indeterminado
45
Alcalinidad total (CaCO 3)
Indeterminado
106
Dureza total (CaCO 3)
Indeterminado
93
Parámetros desregulad d esregulados os
Carbono orgánico total
* ( ) = Niveles recomendados, ND = No detectado.
¿Qué es un mol?
1.5
El término “mol”
deriva de “gran molécula” y se usa para describir una
cantidad de “cosa” química, pudiendo ser átomos o moléculas (o iones o cargas eléctricas). eléctricas). Es útil para los químicos para describir cantidades de cosas involucradas involucradas en una reacción química. Podemos decir que dos moles de hidrogeno reaccionan con un mol de oxigeno para producir un molde agua. Curiosamente, el mol fue desarrollado con la llega de la teórica atómica mientras los científicos estaban cuantificando la masa atómica y había al menos tres candidatos para hacer de patrón, hidrogeno, oxigeno y carbono. Eventualmente, el isotopo de carbono 12 fue elegido, y un mol fue definido como el número de átomos en 12 gramos de carbono 12. Curiosamente el número de Avogadro es definido como el número de átomos en un mol de carbono 12 y ese número fue terminado experimentalmente experimentalmente siendo 6,0221 x 1023 ±1,8 x 10 17. Un isótopo de un elemento tiene el mismo número de protones en el núcleo que el elemento padre, pero un número diferente de neutrones. Los isótopos son identificados por el número de protones y neutrones en el núcleo. Por ejemplo, el carbono 12 significa que el átomo contiene 6 neutrones y 6 protones, indicado por su número atómico, 6.
Dureza del agua, alcalinidad y mini mi ni equivalentes.
La dureza y alcalinidad del agua suelen expresarte como “CaCO 3” porque
cuando 100mg de carbonato de calcio son disueltos en un litro de agua usando acido carbónico (imitando la forma en que la naturaleza disuelve la caliza), la dureza y alcalinidad (medida por métodos patrones) es de 100ppm. La dureza es llamada en los reportes sobre la calidad de l agua como “dureza como CaCO 3” o “dureza total” y se define como la suma de las concentraciones de los iones de calcio y magnesio en mili equivalentes por litro (mEq/l) multiplicado multiplicado por 50 (el “peso equivalente” del CaCO 3). La
dureza es habitualmente medida con una prueba del tipo de los quelatos, donde un agente químico como el EDTA es usada para unir y precipitar todos los cationes fuera de la solución. Esta masa es pesada y el peso por volumen volumen es la dureza total total de la solución. Hierro, manganeso y otros metales pueden también ser contados con las
pruebas a base de quelatos por lo que el número de la dureza total en un reporte de agua suele ser mayor que la suma del calcio y magnesio como CaCO 3. Un equivalente se define como la cantidad de una sustancia que puede reaccionar o desprenderse de una reacción acida con un mol de átomos de hidrogeno o con un mol de electrones en una reacción de oxido-reducción. Si el ion tiene una carga mayor (ej. 2), entonces un mol de esa sustancia se define como conteniendo dos equivalentes. El peso equivalente de una sustancia es igual a la masa de un mol dividida por el número de equivalentes que aporta. Generalmente el número de equivalentes de una sustancia es igual a su carga de valencia, como en el caso del calcio, sin embargo algunas sustancias cambian con el pH y eso se discutirá en el capítulo 6. El peso equivalente del Ca +2 es la mitad del peso atómico 40, 20. Por lo tanto, si se divide la concentración de calcio en ppm o mg/l de Ca +2 por 20, se obtiene el número de mili equivalentes por litro de Ca +2. La alcalinidad total es definida como el volumen total de acido requerido para titular una muestra de agua y llevar el pH a 4.5, convertido a mEq/l y multiplicado por el peso equivalente de 50 para obtener la unidad típica de “ppm de CaCO3”.En la
mayoría de los suministros de agua en los Estados unidos, con un pH del agua de alrededor de 8.3, la alcalinidad total es igual a la alcalinidad M, es decir, la cantidad de alcalinidad debida a bicarbonato [HCO 3-1], convertida por la relación del peso equivalente. En otras palabras, se puede convertir la concentración de bicarbonato en ppm a alcalinidad total como CaCO3 multiplicando el bicarbonato por 50/61. Ver tabla 4. Si el análisis de tu agua local no tiene la concentración iónica de bicarbonato (ppm) o alcalinidad como CaCO3, entonces es necesario llamar al departamento de agua y preguntar por uno de los ingenieros, o alguien del laboratorio. Ellos deben tener información. Los pesos equivalentes son la llave para entender como los iones de calcio en ppm se relacionan con el número de “la dureza total como CaCO3”. EL factor de
conversión es el peso equivalente de la sustancia. El concepto de equivalentes y peso equivalente se vuelve más complicado con otras sustancias como el cobre y el hierro, elementos que tienen diferentes estados de oxidación (ej. Cu +, Cu +2 y Fe +2, Fe +3). Estos
elementos tienen cada uno dos pesos equivalentes, dependiendo de las otras sustancias en la reacción. Pero eso ni viene al caso.
Tabla 4- Factores de conversión para la concentración concent ración de iones.
Para tener
De
Hacer esto
Ca+2 (mEq/l)
Ca+2 (ppm)
Dividir por 20
Mg+2 (mEq/l)
Mg+2 (ppm)
Dividir por 12,1
HCO3-1 (mEq/l)
HCO3 -1 (ppm)
Dividir por 61
CaCO3 (mEq/l)
CaCO3 (ppm)
Dividir por 50
Ca+2 (ppm)
Ca+2 (mEq/l)
Multiplicar Multiplica r por 20
Ca+2 (ppm)
Dureza Ca como CaCO3
Dividir por 50 y multiplicar multiplic ar por 20
Mg+2 (ppm)
Mg+2 (mEq/l)
Multiplicar Multiplica r por 12,1
Mg+2 (ppm)
Dureza Mg como CaCO3
Dividir por 50 y multiplicar multiplic ar por 12,1
HCO3-1 (ppm) (pH 8-8.6)
Alcalinidad como CaCO3
Dividir por 50 y multiplicar multiplic ar por 61
Dureza Ca como CaCO3
Ca+2 (ppm
Dividir por 20 y multiplicar multiplic ar por 50
Dureza Mg como CaCO3
Mg+2 (ppm)
Dividir por 12,1 y multiplicar multiplic ar por 50
Dureza total como CaCO3
Ca como CaCO3 y Mg como CaCO3 Sumarlos
Alcalinidad como CaCO3
HCO3-1 (ppm) ( pH8-8.6)
Dividir por 61 y multiplicar multiplic ar por 50
Como un ejemplo, para calcular la dureza total como CaCO 3 de una muestra de agua de las concentraciones de los cationes, debemos primero convertir las cantidades es ppm a equivalentes (a mili equivalentes, como los equivalentes equivalentes están generalmente generalmente medidos en moles, es decir gramos por litro o parte por millón son miligramos por litro). Entonces, el primer paso es dividir las concentración de calcio y magnesio en ppm por su peso equivalente, teniendo sus concentraciones en mili equivalentes por litro. El factor de conversión entre la dureza del calcio y la dureza del carbonato de calcio es la inversa de la relación de sus pesos equivalentes, es decir 50/20. Como la dureza total como carbonato de calcio es definida como la suma de la dureza de calcio y magnesio, los mili equivalentes de calcio y magnesio se suman juntos, y multiplican por 50 (el peso equivalente de CaCO 3) para lograr la dureza total como mili equivalentes por litro de CaCO 3. (Ca+2 (ppm)/20 + Mg +2 (ppm)/12.1) x 50 = Total
Los factores de conversión de la dureza como CaCO 3 están en la tabla 4. Para resumir, puede haber cientos de sustancias en el suministro de agua, pero solo unas pocas docenas realmente importan al cervecero. La dureza y alcalinidad del agua afecta el pH del macerado y el pH del macerado va a ser más discutido en los capítulos 4 y 5. Optimizando la química del agua para cada proceso del a elaboración de cerveza y otros usos serán vistos en los capítulos 6, 7, 8 y 9.
Referencias.
1. ISO standard 9963-1: Water Quality – Determination of Alkalinity, Part 1 Determination Determination of Total and Composite Alkalinity (1994). 2. Standard Methods for Water and Waste Water Treatment - Alkalinity, American Water Works Association, 1999. 3. Faust, S.D., Osman, M.A., Chemistry of Water Treatment, 2nd Ed., CRC Press, 1998. 4. Benjamin, M.M., Water Chemistry, Waveland Press, 2010. 5. Flynn, D.J., Ed., The Nalco Water Handbook, 3rd Ed., McGraw Hill, 2009. 6. Eumann, M., Brewing - New Technologies, C. Bamforth, Ed., Ch. 9 - Water in Brewing, CRC Press, 2006. 7. Taylor, D., Handbook of Brewing, 2nd Ed., F. Priest, G. Stewart, Ed., Ch. 4 - Water, CRC Press, 2006
4 Alcalinidad residual y el macerado. En los capítulos previos, hemos discutido las fuentes de agua, su composición y los métodos para tratar el agua. También puntualizamos que el pH del agua es solo una parte de todo el rompecabezas, porque con la intención de entender el agua para la elaboración de cerveza, es necesario conocer el pH y la composición del agua. Los minerales en el agua tienen un efecto mayor en el proceso de macerado que el pH del agua debido a que forman un sistema de buffer. Un buffer es una sustancia en la solución que resiste cambios en el pH. Cuanto más fuerte el buffer, más va a resistir a que cambie el pH (quiere decir que más H+ u OH- van a ser necesario para causar un cambio en el pH). Medir el pH del agua sin saber la calidad del sistema buffer es como medir el voltaje de una batería desconocida. El voltaje por sí solo no nos dice cuánto va a durar la batería. Por lo tanto, saber el pH sin saber de la cantidad de buffer en el agua no nos ayudara a predecir la respuesta del pH del macerado. El único buffer en el agua potable es la alcalinidad por medio del equilibro entre carbónico, bicarbonato y carbonato. El otro buffer, fosfato, viene de la malta. Es la interacción de estos dos buffer con el calcio y magnesio lo que termina que tanto hay que trabajar para cambiar el pH del macerado (hay otro grupo de buffers, la melanoidinas de la malta, las cuales también tiene significativo efecto en el pH, las cuales se discutirán discutirán en el capítulo 5). ¿Por qué es el pH del macerado más importante que el pH del agua? Porque Po rque las mejores cervezas son producidas con un control del pH y la temperatura en rangos finitos. El pH es el resultado de un u n equilibrio químico, es el resultado de una prueba. El pH del agua es el resultado del equilibrio de las reacciones químicas que ocurren en el
agua. El pH del macerado es el resultado del equilibrio en el macerado, siendo lo que queremos controlar. El agua y las maltas son los nuevos componentes que reaccionan y el pH del macerado es la medición del producto de esa reacción. Si bien es confuso, el pH del macerado es un factor del rendimiento del macerado y el resultado de ese rendimiento. Para entender esto, hay que ir un paso hacia atrás y considerar que la concentración iónica de hidrogeno (el pH) en cualquier momento es el resultado de el equilibrio químico de ese sistema. De todos modos, el rendimiento del macerado, es decir, actividad enzimática óptima y condiciones que sean favorables para ello, son también el resultado de esa misma química. Por lo tanto podemos discutir actividad enzimática y rendimiento del macerado como una función del pH del macerado, porque tenemos un buen entendimiento de la química que se lleva a cabo. El pH del agua por sí solo, no es un factor para el rendimiento del macerado, porque es la medida de reacciones diferentes diferentes y no relacionadas. ¿Ok? Ok. En este capítulo, introducimos el concepto de alcalinidad residual y como puede afectar el pH del macerado. El pH del macerado es importante porque es un factor importante para la actividad enzimática enzimática y esta modifica el pH final de la cerveza. Tal vez David Taylor lo dijo mejor en The Importance of pH Control During Brewing: “el punto clave para controlar el pH a través del proceso de elaboración de cerveza es durante el macerado. Esto se debe a la gran influencia que se le debe dar a esta etapa en el contenido y formación del sistema buffer que va a operar posteriormente en el mosto y la cerveza”.
Entonces, ¿cuál es el pH ideal en el macerado? Esta es una buena pregunta. En el libro Textbook of Brewing , Jean de Clerck hace notar que el pH de un macerado con malta base en agua destilada es “normalmente de 5.8”. Este valor se refiere al mosto frio. De Clerck describe que el pH del mosto disminuye con el aumento de la temperatura, citando el trabajo de Hkins y Krause. La disminución del pH el linear con la temperatura y las diferencias es de 0.34 entre 18 y 65ºC con agua destilada, y de 0.33 con “agua medianamente dura” para las mismas temperaturas. Esto significa que hay una compensación consistente entre el pH del mosto a las temperaturas del macerado y del ambiente. Desde que la mayoría de los estudios técnicos han usado la temperatura ambiente como parámetro para medir el pH de mosto y las medidas a temperatura ambiente son realizadas en equipos analíticos, el parámetro de la
temperatura ambiente ambiente para las mediciones y reportes es usado en este libro. De Clerck no expone cual es el pH de macerado óptimo. El solo expone esto: “la mayoría de las enzimas muestran su mayor actividad a pH menor que el del mosto, el cual es normalmente normalmente de 5,8. Teniendo esto en cuenta, el macerado es acidificado para reducir el pH a 5,0-5,2, el cual es más adecuado para la proteólisis y el rompimiento de los fosfatos orgánicos”. Esta declaración debe ser calificada teniendo en cuenta que De
Clerck estaba hablando de las maltas Continental Pilsner y Munich de esos días (1950) las cuales tenían una relación de proteínas solubles a proteínas totales de 29,8% y 38,8% respectivamente, comparadas comparadas con la malta ma lta British Pale a la cual consideraba alta o sobre modificada. No se dieron números para la malta British Pale pero probablemente se encontraba en el 40%. En otras palabras, las maltas menos modificadas se beneficiaban de bajo pH para optimizar la proteólisis y entonces mejorar los extractos totales y el nitrógeno amino libre (FAN). Wolfgang Kunze en Technology Brewing and Malting, escribe que el rango optimo de pH para las amilasas
y degradación del almidón es 5,5-5,6 porque los extractos totales y el límite de atenuación son mayores comparados con un pH de macerado “normal” de 5,6 -5,9. El indica que “normal” depende de la malta y de la composición del agua. Más adelante
en el texto, el escribe que los beneficios de bajar el pH del macerado incluyen el acortamiento y optimización del proceso de macerado, filtrado más rápido, mayor rendimiento, mayor estabilidad del color, mejor fermentación y mejor espuma. En resumen, dice que los cerveceros deben controlar el pH para que el macerado tenga un pH de entre 5,4-5-6 5,4-5-6 y el pH del mosto final final después del hervido debería debería ser de 5,15,2. En pH in Brewing: An Overview, Charles Bamforth nota que el pH óptimo para varios proceso proteolíticos y enzimas de sacarificación varía sustancialmente con el sustrato elegido por los investigadores para los experimentos, y sugiere que la estabilidad al calor de las enzimas es más importante que la eficacia del pH. Sin embargo, Bamforth también dice que el pH parece tener un fuerte efecto en la extracción de enzimas de la malta, como lo demuestra el trabajo de Stenholm and Home, el cual muestra que bajando el pH de 5,7 a 5,4 aumenta la extracción de dextrinasa limite. limite. Además, el método por el cual el pH es reducido parece ser un factor significativo: las adiciones de calcio parecen tener un efecto más sinérgico en el
rendimiento del macerado como un todo que contra la adiciones de minerales u ácidos orgánicos. Para ilustrar estos efectos, el rendimiento del filtrado del macerado es óptimo a un pH de 5,5-5,7 en un experimento usando sales de calcio contra 4,4-4,6 en otro usando ácidos. En resumen, estas fuentes indican que un blanco “optimo” a temperatura
ambiente de pH de macerado varía entre 5,0 y 5,6. El rango más bajo seguramente no es aplicable hoy en día como lo era antes debido a la maltas altamente modificadas reducen la necesidad de proteólisis. Sin embargo, el cervecero puede optar por un valor dentro de este rango que debería está bien para la cerveza. El cervecero también debería tratar de controlar el pH del macerado con una tolerancia de ±0,1 de pH para asegurarse consistencia. Hay muchos factores que pueden afectar el pH del macerado y varios de ellos se basan en la variedad de malta y el proceso de malteado, factores que están fuera del control del cervecero. Lo mejor que puede hacer el cervecero es encontrar una fuente consistente y de buena calidad para la malta y concentrarse concentrarse en los factores que si puede controlar, como ser la composición del agua, las adiciones de sales o acido, y la consistencia de muestreo y métodos de medición. El factor clave para entender el efecto de la composición del agua para elaborar cerveza y como ajustarla es la alcalinidad residual. La alcalinidad residual (RA) es la interacción entre la dureza y la alcalinidad en el macerado, y el concepto se presenta a continuación.
Alcalinidad del agua.
El primer paso para entender la alcalinidad residual es entender como la alcalinidad entra en el agua. Es un sistema de dos partes que está controlado por la presión del dióxido de carbono disponible en el aire. La alcalinidad del agua es determinada por el contenido de carbonato, el cual se forma cuando el agua subterránea acida (es decir con CO 2 disuelto) reacciona con tiza (CaCO 3) o dolomita (CaMg(CO3)2). La cantidad de carbonato que puede ser disuelto en el agua depende de la presión parcial del dióxido de carbono que a su vez determina la cantidad de dióxido de carbono disuelto en el agua, en otras palabras, el carbonato car bonato disuelto y el dióxido de
carbono disuelto están siempre en equilibrio. O lo tratan de estarlo, las concentraciones de carbonato en el agua siempre están siguiendo los cambios en los niveles de dióxido de carbono disuelto. En la naturaleza, la restauración del equilibrio ocurre lentamente y el carbonato de calcio se disuelve muy lento. De hecho, es por esto que las incrustaciones de carbonato son muy comunes en grifos y duchas, la rápida perdida de presión, y la subsecuente aireación liberar el dióxido de carbono disuelto y dejan el agua en una condición de súper saturación con carbonato. Esta súper saturación de carbonato se acumula gradualmente en las superficies cercanas. Al contrario, una solución súper saturada con dióxido de carbono va a disolver el carbonado de calcio más rápidamente en el agua. Carbonatando el agua con dióxido de carbono puro bajo alta presión se aumenta la velocidad del proceso de solución de carbonato de calcio en el agua.
Relación aproximada entre CO 2 y alcalinidad total en agua pura
Figura 11: Diagrama de solubilidad de equilibrio para el carbonato de calcio y CO
2
como una función del pH a temperatura ambiente y presión normal. La relación de dióxido de carbono disuelto a CaCO 3 es constante para un pH dado.
El equilibrio de los carbonatos para disolver el dióxido de carbono determina el pH agua pura. Ver figura 11. En una situación real, hay más factores que también influyen, pero la presión parcial de CO 2 y el equilibrio resultando de dióxido de carbono/carbonato carbono/carbonato los factores principales del pH en la mayoría de las aguas potables. Hay varias ecuaciones químicas que gobiernan el equilibrio entre las especies solidas, liquidas y gaseosas del carbonato. El dióxido de carbono gaseoso se disuelve en el agua según la ley de Henry, donde la concentración [CO 2] es determinada por la presión parcial del gas, P CO2, en la atmosfera y la constante K H= 0.032:
[CO2] = 0.032PCO2
EL CO2 disuelto es una molécula oxido hidratada con dos moléculas de agua asociadas, como el sulfato de calcio (CaSO 4.2H2O). Se escribe como (aq.) para
distinguirlo de la forma gaseosa CO 2. Y, el CO2 disuelto no es lo mismo que el acido carbónico, solo una proporción mínima de acido carbónico (H 2CO3) lo es, típicamente 0,17% del CO2 total disuelto. La combinación de estas dos formas, es decir [H 2CO3] + [CO2], usualmente se escribe como "H 2CO3”. Es importante entender que la discusión de acido carbónico y equilibrio con un bajo pH son de hecho mayormente discusiones sobre acuoso, el cual está sujeto a la ley de Henry y la presión parcial de CO 2.
Constantes de equilibrio.
No todas las reacciones químicas son completas. Una constante de equilibrio describe el avance y retroceso continuo de una ecuación de equilibrio química. En la reacción A + B ↔ C + D la doble flecha significa que la reacción no es completa, y que una cantidad de A y B reacción para formar C y D y algo de C y D reacciona para formar A y B. El equilibrio entre los dos lados, a una temperatura y presión dadas, es definida por la ecuación [A][B]/[C][D] = K, que es la constante de equilibrio. La dos reacción más importantes en la química del agua son: H2CO3 ↔ H+1 + HCO3HCO3- ↔ H+1 + CO3 -2 Usando la primera como ejemplo; [H +1] [HCO3-]/[H2CO3]= K1 Cuando los iones de hidrogeno están involucrados y los números son muy bajos, se suele usar el logaritmo negativo del número para hacerlo más amigable, y como en el caso del pH, esto es: -log [H +1] = pH y –log K1 = pK1 En el caso de la tiza y el agua, cuando los materiales padre dominan en equilibrio (lo que significa que una parte muy pequeña de la sustancia se disuelve o reacciona), el denominador (padre) es considerado constante y es incorporado dentro de K, de tal manera que: CaCO3 ↔ Ca+2 + CO3-2 pKS = 8.38 = [Ca+2] [CO3-2]
+1
-1
+1
-1
H2O ↔ H + OH pKW = 14.17 = [H ] [OH ]
En cada caso la constante permite calcular alguna concentración desconocida, asumiendo que las otras están medidas. Ver el apéndice A para más información. La disolución de tiza en agua con CO 2 acuoso se describe con las siguientes ecuaciones. Es ecuaciones químicas a 20ºC están gobernadas por las contantes de equilibrio o disociación:
[CO2] + H2O ↔ H2CO3* pKH = 1.41 H2CO3* ↔ HCO3-1 + H+1 pK1 = 6.38 HCO3-1 ↔ CO3-2 + H+1 pK2 = 10.38 CaCO3 ↔ Ca+2 + CO3 -2 pKS = 8.38 = [Ca +2] [CO3-2] H2O ↔ H+1 + OH-1 pKW = 14.17 = [H+1] [OH-1]
Donde la reacción general es aCO 2 + bH2O + cCaCO 3 ↔ dH 2CO3 y el equilibrio entre H2CO3*↔ HCO3-1 ↔ CO3-2 es gobernado por pK1 y pK2. En otras palabras, una vez disuelto, el carbonato puede existir en cualquiera de las tres formas del equilibrio (especies) dependiendo del pH: el dióxido de carbono acuso/acido carbónico (H2CO3*), bicarbonato (HCO3-1) y carbonato (CO 3-2). Las reacciones de disolución están representadas en la figura 12. Las proporciones de las formas en el equilibrio como función del pH se muestran en la figura 13. Por favor recordar que “equilibrio” significa que las especies han
permanecido suficiente tiempo como para llegar a un estado estacionario. También notar que “ suficiente tiempo” es usualmente varis horas, y que cambios en una
especie iniciara cambios en las otras especies, pero que el cambio indicado en el diagrama llevara varias horas para completarse.
Figura 12: EL diagrama ilustra las dos fuentes principales de especies de carbonato en agua, CO2 del aire y tiza disuelta de la caliza. El dióxido de carbono acuoso /acido carbónico que dominan a pH bajo, el bicarbonato a pH de 6-10, y el carbonato para pH altos. Solo una fracción pequeña del CO 2 acuoso forma acido carbónico, la relación de equilibrio es 1/650, dependiendo de la presión parcial y el pH.
Las proporciones relativas de las formas de carbonato varían con el pH. Las concentraciones concentraciones molares del CO 2 acuoso/acido carbónico y bicarbonato son iguales en pK1 y las concentraciones molares del carbonato y bicarbonato son iguales en pK 2. La forma de bicarbonato es dominante en (pK 1 + pK2)/2 = 8.3. Debajo de un pH de 4.3, el carbonato es totalmente convertido a CO 2 acuoso y acido carbónico, en esta región se dice que consiste en acides libre mineral. En el rango de pH del macerado, bajos condiciones de equilibrio, las proporciones son mayormente CO 2, con una menor proporción de bicarbonato. La figura 13 provee una representación visual de las variaciones de las especies de carbonato en función del pH. Como mencionamos arriba, la transición entre las especies de carbonato es lenta, llevan varias horas, incluso en el macerado. La solubilidad del sistema de carbonato decrece con la temperatura, y esto se debe a que decrece la solubilidad de los gases (es decir CO 2) en agua (debido a que disminuye el coeficiente de Henry) y también decrece producto de la solubilidad en sí. La solubilidad del carbonato de calcio en agua pura (sin CO 2 disuelto) a temperatura ambiente es solo de 14ppm, sin embargo su solubilidad aumente a 50ppm (es decir, 1 mEq/l) en contacto con el aire, es decir, presión normal, y puede aumente a 75ppm cuando hay mucho CO 2 disuelto. La solubilidad del carbonato de calcio aumenta levemente con la presencia de otras sales que no contienen calcio o carbonato, como cloruro de sodio o sulfato de magnesio. Estas sales aumentan levemente la solubilidad porque sus iones tienden a proteger los iones de calcio y carbonato uno del otro p or lo que es menos probable que se asocien y precipite como carbonato de calcio. La solubilidad del sulfato de calcio también decrece con la temperatura, pero su solubilidad es de otro orden de magnitud mayor estando entre 3 a 8 gramos por litro. La adición de sulfato de calcio al agua con carbonato de calcio disuelto va a causar la precipitación de carbonato de calcio en el tiempo porque los iones adicionales de calcio elevaran el producto de la solubilidad [Ca+2] [CO3-2] mas allá de su límite. ¿Cómo se forma el agua de alta alcalinidad en la naturaleza entonces? La clave es la presión parcial del dióxido de carbono subterráneo. La presión parcial del dióxido de carbono puede estar entre 0.03-0.05 atmosferas (atm) comparado con la presión parcial en la atmosfera la cual es de 0.0003-0.0005 atm, debida mayoritariamente a la
respiración de bacterias. Cuando el agua subterránea llega a la superficie, el exceso de CO2 es liberado a la atmosfera. De todos modos, la adecuación del equilibrio mediante la precipitación del carbonato de calcio extra ocurre lentamente, la evidencia es la acumulación gradual en las cañerías de la casa. Uno puede asumir mirando el bajo pH del macerado que ninguna sal alcalina (bicarbonato de sodio, carbonato de calcio, hidróxido de calcio, etc.) va a estar fácilmente disuelta disuelta y todo su potencial alcalino estará disponible para afectar el pH del macerado si es cuantificado en términos de alcalinidad total como CaCO 3. De todos modos, la experiencia práctica no indica que eso no ocurre. Las razones de esto se discutirán mejor en los próximos capítulos (5 y 6).
Fracciones molares de las especies de carbonato contra el pH del agua a 20ºC.
Figura 13: Es sistema carbonato existe en tres formas, dependiendo del pH. La forma predominante en el agua potable es bicarbonato, siendo mayor al 50% de las especies entre pH de 6,3 y 10,3, con un pico en 8,3. La región del pH de macerado se muestra en gris.
Precipitación del fosfato del calcio en el macerado.
La cebada malteada contiene cerca de 1% de su peso p eso como fosfatos y es una de las claves para reducir el pH del macerado para el rango que favorece a las enzimas. El fosfato es principalmente unido como fitina de malta y es hidrolizado durante el macerado. La fitina es una mezcla de acido fitico con sales de potasio y magnesio. Esta hidrólisis
es (o debería ser) ser) catalizada catalizada por la enzima fitasa, fitasa, pero la fitasa es
desnaturalizada desnaturalizada en el secado de las maltas salvo en en las más claras. Afortunadamente, Afortunadamente, la hidrólisis ocurre de todos modos y los iones de fosfato (mayoritariamente H 2PO4-1 pero también H3PO4, HPO4-2y PO4-3) están disponibles para reacciónar con el calcio. Las reacciones químicas en el macerado son bastante simples, pero hay al menos 10 reacciones reacciones separadas separadas pero co-dependientes co-dependientes que se combinan combinan al pH bajo. bajo. Estas reacciones precipitan los fosfatos del calcio, liberando protones de hidrogeno
que reacciónan con el carbonato disuelto (alcalinidad) para formar agua y CO 2 gas, reduciendo la alcalinidad del sistema. El precipitado es mayoritariamente hidroxiapatita (Ca10(PO4)6(OH)2), pero también especies como CaH(PO 4), Ca4H(PO4)3, etc. La cantidad de CO 2 producida es esta reacción es equivalente a la reducción en la alcalinidad de agua porque la alcalinidad es definida como la cantidad de acido para convertir carbonato y bicarbonato a carbónico (H 2CO3*). Una versión resumida de la reacción es: 10Ca+2 + 12HCO3- + 6H2PO4-1 + 2H2O → Ca10(PO4)6(OH)2 + 12CO2 + 12H2O + 2H+1
La línea de fondo es que los fosfatos de la malta reaccionen con el calcio disuelto para precipitar fosfato de calcio, liberando protones que reacciona con los carbonatos disueltos para crear agua y dióxido de carbón, el cual reduce la alcalinidad y baja el pH. La reducción de la alcalinidad es limitada generalmente por la cantidad de calcio disponible en el agua/macerado. Está lleno de fosfatos en el macerado, cerca del 1% del peso de la malta y asumiendo una relación de 4 litros por kg, el mosto resultante tendrá 2 gramos por litro o 2000ppm, contra el contenido clásico de calcio de menos de 100ppm en la mayoría de las fuentes de agua.
Alcalinidad residual.
Y ahora traemos todo junto, solubilidad del carbonato, alcalinidad y dureza del agua. ¿Cómo se combinan estos factores para afectar el pH del macerado? La respuesta es una cant idad llamada “alcalinidad residual”. En 1953, el científico alemán Paul Kolbach realizo una serie de experimentos sobre mosto con malta base en los cuales determino que 3,5 equivalentes de calcio reaccionan con los fosfatos de la malta para “neutralizar ” 1 equivalente de alcalinidad. Además, determino que el magnesio trabajaba de una forma similar, pero en menor medida debido a la mayor solubilidad del hidróxido de magnesio, necesitando 7 equivalentes para neutralizar 1 equivalente de agua. La alcalinidad que permanece en el agua después de esta reacción se llama “alcalinidad residual” (RA). Esta alcalinidad
residual aumenta el pH del macerado más que el de un macerado hecho con agua destilada. En otras palabras, Kolbach determino que los cerveceros podrían manipular el pH del mosto igual o menor al del agua destilada adicionando sales de calcio o magnesio Sobre una base de volumen, esto se puede expresar como:
mEq/L RA = mEq/L Alcalinidad - [(mEq/L Ca)/3.5 + (mEq/L Mg)/7]
Donde mEq/l se define como mili equivalentes por litro. Otra unidad equivalente puede ser usada, de la forma de “como CaCO 3”, pero no se pueden usar
las concentraciones en ppm, las equivalencias químicas deben ser usadas. La ecuación puede re escribirse como;
RA (ppm as CaCO3) = Alcalinidad (ppm as CaCO3) - [(Ca (ppm)/1.4) + (Mg (ppm)/l.7)]
Cualquier valor positivo de alcalinidad residual causara que el pH del macerado sea más alto que si se utilizaría agua destilada. Igualmente, un valor negativo de RA causara que el pH del macerado sea menor que si se usaría agua destilada. Para contrarrestar una RA positiva de la alcalinidad del agua, los cerveceros pueden agregar sales de calcio o magnesio o ácidos o hacer uso de la acides natural de las maltas oscuras para reducir RA y llevar al pH de macerado de vuelta del rango optimo. Históricamente, Históricamente, los estilos de cerveza oscuras eran originarios de regiones con una alta alcalinidad residual en el agua debido a que la acides natural de las maltas oscuras ayudaba a neutralizar la alcalinidad del agua, mejorando el rendimiento y sabor de la cerveza. Hacer una cerveza oscura con un agua con bajo RA puede resultar en un pH de macerado de 5 o menos, causando sabor a grano o tostado e incluso perjudicando la actividad de la beta amilasa. La beta amilasa tiene un rango de actividad muy estrecho de 5,0-6,0 de pH. La fermentabilidad del mosto pude incrementarse y el cuerpo de la cerveza resultante disminuir. Un pH de macerado bajo puede contribuir de ultima a un pH de mosto bajo en el hervido. Un pH bajo en el mosto puede reducir la utilización, expresión y amargor del lúpulo.
Por el contrario, las cervezas pale hechas con agua con alta alcalinidad residual pueden resultar de un pH de macerado que exceda de 6, llevando a un incremento en la extracción de tanino y silicatos, una aspereza en el amargor del lúpulo y se perjudica la actividad de la beta amilasa. Estas condiciones también resultan en un carácter más unidireccional, con el carácter de la malta siendo “apagado”. El pH alto del macerado lleva a un pH alto del mosto en el hervido. El pH alto del mosto puede alterar el carácter del lúpulo también. Mientras que los altos pH del mosto permiten una mejor isomerización de los alfa ácidos del lúpulo, el amargor resultante es diferente, los cerveceros dicen que la diferencia produce una cerveza diferente, parece que se hubiese hecho hecho con una variedad diferente diferente de mayor contenido de alfa ácidos. El pH del mosto alto pude extraer mas polifenoles del lúpulo para crear un carácter más áspero del lúpulo. La alcalinidad residual se conoce y es utilizada por los cerveceros europeos desde hace varias decadas, pero la preponderancia de las lager Pilsner ha hecho que la utilización del concepto sea reducida. Las indicaciones más comunes son que 1) la alcalinidad del agua debe ser lo más baja posible y 2) los niveles de calcio debe ser de al menos 50ppm. El resurgimiento de la variedad de estilos de cerveza en las cervecerías artesanales causo que los cerveceros miraran como los estilos clásicos claros y oscuros de cerveza se originaron con respecto de la fuente de agua local. loca l. En el trabajo Brewing Water —Overview, A. J. deLange muestra la RA de varias de los grandes zonas cerveceras del mundo y nota que en general, un alto RA se correlaciona con estilos locales oscuros de cerveza (ver figura 4). Jhon Palmer explora este concepto es su libro How To Brew , y desarrolla una monografía donde sugiere un rango de color para un rango de alcalinidad residual. El objetivo de ese trabajo era permitir al cervecero usar su agua local junto con la adición de sales u otros tratamientos, para acertar el pH de macerado con cualquier receta, clara u oscura, de así mismo ayudar a logar un pH optimo en la cerveza final, donde la multitud de sabores son mejor expresados.
Figura 14: Alcalinidad contra dureza Kolbach. Mostrando las líneas de valor constante de alcalinidad residual, etiquetando varias ciudades cerveceras basado en un reporte de agua loca. Dibujo original por A. J. deLange, revisado revisado por M. Brungard.
Refinamiento de RA.
Trabajos más recientes de Troester han validado el trabajo de Kolbach, pero también tienen en cuenta factores que no fueron tenidos en cuenta por deLange y Palmer, especialmente especialmente el espesor del macerado y el grado de rompimiento de la malta en la molienda. Una nueva revisión de los artículos de Kolbach mostro que los experimentos experimentos se realizaron realizaron con una densidad densidad del mosto de de 1.048 después después de la maceración y lavado, y no en el macerado propiamente dicho. Kolbach determinó que la relación entre el cambio en el pH de un macerado con agua destila y 1mEq de alcalinidad era 0,084pH l/mEq o 11,9 mEq/ (pH l) o alrededor de de
595ppm de
alcalinidad residual como CaCO 3/(pH l). Troester condujo una serie de experimentos sobre el macerado usando granos pulverizados, que demostraron que la pendiente o capacidad buffer del macerado varía en función de la relación de molienda. La pruebas de maceración se realizaron sobre tres niveles de alcalinidad (0, 2,7 y 5,3 mEq/l) para malta Weyermann Weyermann Pilsner (1.6-1.8°L spec.) y malta malta Malteries Malteries Franco-Belges Light Munich (6-8°L spec.) a lo largo de un rango en la relación agua-malta de 2-5 litros por kg. Los cálculos de la capacidad buffer para varias relaciones agua-malta se muestran en la tabla 5. Los resultados resultados del trabajo trabajo de Troester indican que que el coeficiente de de Kolbach sería equivalente a una relación agua-malta de 5 litros por kilo, el cual puede ser consistente con un mosto lavado de 1,048 de densidad y una relación agua-malta inicial cercano a 4. EL monograma de pH del macerado/alcalinidad residual en el libro How To Brew de Palmer, usa el valor de Kolbach (11.9mEq/(pH kg), como lo hace
deLange (figura 14).
Tabla 5: cambios en el pH con la relación agua-malta Relación aguamalta (l/kg) 2 3 4 5
Capacidad buffer del macerado a base de malta Pilsner (mEq RA/(pH l))
Capacidad buffer del macerado a base de malta Munich Munich (mEq RA/(pH RA/(pH l))
23.8 17.2 15.2 12.5
28.6 20.4 15.2 13.0
Cambios en la capacidad buffer de macerados con malta base en función de la relación agua-malta. Granos pulverizados, 10 minutos de macerado. m acerado. Datos de Troester.
El grado de triturado en la molienda fue determinado como un factor por Troester. La información anterior fue obtenida usando granos pulverizados. El realizó el experimento usando tres aguas (0, 2.9, 5.7 mEq/L) con varios tamaños de molienda que se corresponden con los ajustes normales de los molinos de rodillos múltiples: (pulverizada), 0,5, 0,8 y 1,2 mm. El ajuste de 0,8mm de un molino de dos rodillos es probablemente el más similar a las condiciones de molido grueso de American Society of Brewing Chemists (ASBC), el cual no está determinado por el espacio entre los rodillos sino porque el 75% de la muestra permanece en un tamiz numero 30 (0,059cm de apertura). La información muestra que la capacidad buffer del macerado decrece al aumentar la distancia entre los rodillos, en las mismas magnitudes que la relación agua-malta. Sin embrago, se especula que el efecto debería disminuir con aumentos en el tiempo de macerado, a medida que el grano se hidrata completamente y mas fosfatos están disponibles para la reacción. Ver tabla 6.
Tabla 6: cambios en el pH con el ajuste (en mm) de la distancia de los rodillos del molino.
Ajuste del molino
Malta Pilsner mEq RA/(pH l)
Malta Munich mEq RA/(pH l)
(pulverizada)
15.8
17.8
0.5
13.4
14.8
0.8*
12.2
14.8
1.2
10.6
12.0
* Más similar al molido grueso de ASBC. Cambios en la capacidad buffer de macerados de malta base en función del tamaño del grano. Relación agua- malta de 4 l/kg, 10 minutos. Información de Troester.
En resumen, los puntos claves de este capítulo son:
El pH del macerado es la mejor forma para influenciar el pH del mosto y la calidad de sabor. El calcio, magnesio y los fosfatos de la malta reaccionan para producir hidroxiapatita de calcio e hidróxido de magnesio. Esto libera iones de hidrogeno en el macerado y baja el pH a niveles donde la sacarificación enzimática trabaja más eficientemente. El concepto de alcalinidad residual es una herramienta muy buena para estimar el efecto de la alcalinidad del agua en el pH de macerados de malta base y predecir el efecto de las adiciones de sales de calcio y acido. La advertencia sobre la alcalinidad residual es el tamaño del cambio en el pH del macerado con un cambio en alcalinidad residual varia con la relación agua-malta y el tamaño de la molienda, en el rango de 10 a 30 mEq/(pH L), disminuyendo a medida que la relacion aumenta. Un valor moderno típico de 3l por kilo, molido grueso, es probablemente 15 mEq/(pH L), el cual no está lejos del a valor de 12 mEq/(pH L) de Kolbach. En el próximo capítulo vamos a ver como la acides natural de las diferentes maltas pueden hacer de buffer y cambiar el pH del macerado. Antes de que lo hagamos, queremos resaltar que el objetivo de ese capítulo no es calcular el pH de macerado sino calcular de manera precisa la adiciones de sales y ácidos para lograr un pH de macerado dado. Este libro no contiene todas las respuestas a la complejidad de la química del macerado, solo contiene algunas. El objetivo de estos dos capítulos es dar un mejor entendimiento de cómo el pH del macerado trabaja y cuáles son los factores principales, para poder tener macerados más consistentes y lograr una mejor consistencia en la cerveza.
Referencias.
1.Taylor, D.G., The Importance of pH Control during Brewing, MBAA Tech. Quart. 27:131-136, 1990.
2. DeClerk, J., A Textbook of Brewing, Vol. 1, Siebel Institute, Chicago, 1994.
3. Kunze, W., Technology Brewing and Malting, Intl Ed., BLB Berlin, 1999.
4. Bamforth, C., pH in Brewing: An Overview, MBAA Tech. Quart. 38(1): 2-9, 2001.
5. Stenholm, K, Home, S., A New Approach to Limit Dextrinase and its Role in Mashing, J. Inst. Brew. 105:205-210, 1999.
6. Kolbach, P., Der Einfluss Des Brauwassers auf das pH von Würze und Bier, Monatsschrift fur Brauerei, Berlin, 1953. Translated by A. J. deLange.
7. deLange, A. J., Alkalinity, Hardness, Residual Alkalinity and Malt Phosphate: Factors in the Establishment of Mash pH, Cerevesia 29(4)2004.
8. Palmer, J., How To Brew, 3rd Ed, Brewers Publications, Boulder, 2006.
9. Troester, K, The Effect of Brewing Water and Grist Composition on the pH of the Mash, Braukaiser.com, 2009.
5 Alcalinidad residual, acides de la malta y pH del macerado. El macerado es un ambiente “buffer” donde la química del agua y la malta (con
optimismo) se combinan para crear condiciones más favorables para la sacarificación y el rendimiento. Una explicación detallada de la química de la malta que se produce en este ambiente va más allá de este libro. Sin embargo, necesitamos describir lo básico de la producción y química de la malta para poder entender cómo puede afectar nuestras decisiones decisiones sobre el agua para elaborar cerveza. Como fue discutido en el capitulo anterior, la alcalinidad residual nos permite entender como la dureza y la alcalinidad del agua interactúan en el macerado, sientan las bases del pH del macerado. La alcalinidad residual ayuda a cuantificar el efecto de la composición del agua en el pH del macerado debido a la precipitación de la hidroxiapatita hidroxiapatita y la liberación de iones de hidrogeno. Pero los cambios que afectan el pH del macerado no solo vienen de cambios en la alcalinidad residual, también pueden venir directamente de la malta como acides. Las maltas especiales también contienen ácidos débiles buffer que neutralizan la alcalinidad y bajan el pH del macerado. Los buffers se deben a la melanoidinas y ácidos orgánicos que son creados por la reacción de Maillard durante el secado (“kilning”) y horneado (“roasting”). Las melanoidinas se forman por la reacción de los aminoácidos
y azucares, y son responsables de los sabores a tostado y horneado que asociamos con el coloreado (“browning”) de los alimentos. Kolbach, Troester y Bies determinaron determinaron que se puede tomar de 1 a 2,5 mEq/l de acido para mover el pH del macerado/mosto en 0,1 unidades, dependiendo de la relación agua-malta y otros factores. Sin embargo, hay algunas cuestiones inconsistentes inconsistentes con la información. La replicaciones de los experimentos con un muestra diferente de la misma malta muestran algo de variación, pero las replicas usando lotes diferentes de la misma maltería muestran que los resultados cambian más allá del error experimental. experimental. La experimentación experimentación también muestra que el mismo tipo de malta (base, caramelo X, chocolate, etc.) de diferentes malterias puede tener resultados significativamente diferentes. La siguiente sección va a ilustrar las razones para las diferencias en la acides de la malta y porque p orque es difícil de predecir.
Maltas y su color.
Para comenzar a hablar de la química de la malta, hay básicamente cuatro tipos de maltas: base, altamente cocidas, caramelo y tostadas. Las maltas base tienen un pH de macerado con agua destilada de 5,6-6,0, dependiendo de la variedad de cebada, condiciones de crecimiento, modificación y micro flora como bacterias acido lácticas en la cascara. La cantidad y viabilidad de las bacterias es muy variable, dependiendo del medioambiente y del régimen de cocción empleado. De todos to dos modos, cada lote de maltas tiene una pequeña diferencia en el pH de macerado, incluso en una marca particular de la misma maltaría. Las maltas base como Pilsner, malta lager y pale ale son producidas mediante una germinación a 15-17ºC y secadas con un flujo de aire frio hasta una humedad del 8%. Estas maltas son cocinadas a una baja temperatura de 5070ºC antes de la curación a una temperatura final de 70-85ºC. Las maltas pale ale son típicamente secadas secadas en horno a temperaturas de de 60-90ºC y son curadas hasta 105ºC para desarrollar un mejor color (3-5 SRM) y mas sabor. Los sabores expresados son levemente a grano con notas a pan tostado y calidez. Notar que estas temperaturas son rangos de condiciones típicas que las malterias deben elegir discrecionalmente, discrecionalmente, no hay recetas como parámetro para los tipos específicos de malta.
Las maltas altamente cocinadas son maltas base (o malta base que no ha sido completamente completamente curada) que han sido secadas hasta un mayor mayo r color, como las pale ale, a le, Viena, Munich y las maltas aromáticas. Las maltas altamente cocinadas son almacenadas en seco (3-10%) a bajas temperaturas (50/70ºC) para retener sus enzimas diastáticas. Las maltas aromáticas y Munich son secadas a temperaturas más altas que las malta bases (90-105ºC) para producir sabores a malta y pan. Solo la reacción de Maillard esta envuelta, las reacciones de caramelización ocurren a temperaturas más altas. El pH del macerado de esta maltas baja un par de decimas en comparación con el de las maltas base. La temperatur temperaturaa de curado más alta reduce o elimina la micro flora productora de acido. Las maltas caramelo son producidas mediante el tostado de malta verde, es decir, la malta que no se seco en horno luego de la germinación. Estas maltas son puestas dentro de un tostador y cocinadas en el rango de la sacarificación de 65-70ºC hasta que la conversión del almidón es llevada a cabo dentro de la cascara. Después de eso, estas maltas son asadas a temperaturas más altas de 105-160ºC, dependiendo del grado de color requerido. El calentamiento a estas temperaturas causa tanto la caramelización como las reacciones de Maillard. El máximo color que se puede lograr es 150 RSM o 300 EBC.
Color de la malta.
Históricamente, Históricamente, el color de la cerveza y las maltas se media en grados Lovibond (°L). J.W. Lovibond fue un cervecero e hijo de cervecero de Greenwich, UK. Creo el “Tintometro” en 1883 el cual consistía en portaobjetos de vidrio de diferentes tonos
que se podían combinar para producir un rango de colores. Lovibond determino que el color de la malta haciendo un macerado (un método usado como parámetro) de las maltas y usando su sistema para medir el color del mosto. Este sistema fue luego modificado al Series 52 Lovibond Scale , el cual consistía en porta objetos o soluciones individuales para cada índice especifico de Lovibond, pero el sistema sufría de inconsistencia debido a la decoloración, mal etiquetado y error humano. En 1950, la American
Society
of
Brewing
Chemists (ASBC)
adopto
la
utilización
de
espectrofotómetros espectrofotómetros para medir la absorbancia de luz a una longitud de onda específica
(430 nanómetros) a través de una muestra de tamaño estándar. Un mosto o cerveza oscura absorbe absorbe más luz, y da un valor más alto. Este método permite permite mediciones consistentes de muestras y el Método de Referencia Estándar (°SRM) así nació. E método SRM fue originalmente creado para aproximarse al la escala de Series 52 Lovibond y las dos escalas son consideradas consideradas casi idénticas para la mayoría del rango. La escala Series 52 Lovibond todavía está en uso, en forma de comparadores visuales precisos y fotómetros. El uso de los comparadores de Lovibond se utiliza en la industria de malteado para determinar el índice de las maltas oscuras/tostadas y entonces el color de las maltas es tratado como ºL, cuando el color en la cerveza es tratado como ºSRM, aunque las bases (absorción a 430nm) sean las mismas. Antes de 1990, la European Brewing Convention (EBC) usaba una longitud de onda diferente para medir
absorbancia, y la conversión entre los dos métodos era una aproximación. Hoy en día, la escala EBC usa la misma longitud de onda para la medición. El factor de conversión para medir cerveza es EBC=1.97 x °SRM o alrededor del doble que el e l índice SRM. Las maltas tostadas incluyen ámbar, marrón, chocolate y malta negra. Estas maltas comienzan como maltas verde como las maltas caramelo, pero son cocinadas hasta un porcentaje menor de humedad (5-15%) antes de ser tostadas. Las maltas ámbar son producidas mediante el tostado de maltas pale totalmente cocinadas a temperaturas temperaturas de 170ºC. Estas temperaturas temperaturas le dan a la malta una característica característica de tostado, biscocho y nuez en el sabor. Las maltas marrones son tostadas por más tiempo que las maltas ámbar, pero a menores temperaturas y adquieren un sabor muy seco y a pan tostado oscuro, oscuro, con un color igual al de las maltas maltas caramelos. Las Las maltas chocolate arrancan con mas humidad antes del tostado que las maltas marrón, pero menos que las caramelo. El proceso de tostado comienza a 75ºC aproximadamente y va aumentando hasta más de 215ºC, donde la malta desarrolla sabores a chocolate. Algún grado de caramelizarían ocurre, pero la mayoría de los sabores son s on derivados de las reacciones de Maillard y de algún grado de pirolisis (carbonización controlada). Las maltas negras (es obvio) son tostadas a una mayor temperatura (220-225ºC) produciendo sabores relacionados al café. La cebada tostada es producida de una manera similar pero la diferencia es que nunca comenzó el proceso de malteado. También, la mayoría de los sabores vienen de las reacciones de Maillard y de la pirolisis.
Acides de la malta.
EL principal mecanismo por el que cae el pH (ej. 8-5,8) en el macerado de maltas base parece ser las reacciones reacciones del tipo del fosfato de calcio, y el efecto acido de la reacción de Maillard, si lo hay, es pequeño. Sin embargo, las melanoidinas y ácidos orgánicos pueden ser un factor significativo en macerados que contengan un porcentaje alto de maltas especiales. Además, los experimentos han demostrado que solo hay aparentemente dos clases de maltas especiales, no tres, en términos de acides basados en Maillard: secadas o tostadas (o tostadas y no tostadas). La diferencia ocurre durante el secado, cuando el color de los productos de Maillard cambia de rojo a marrón. La transición parece ser en el rango de 165-180ºC, correspondiéndose con las temperaturas más altas del proceso de las maltas secadas y maltas caramelo, y con las temperaturas mas bajas de las maltas tostadas. Este cambio es visualmente aparente cuando los mostos son hechos con diferentes maltas especiales al mismo valor de SRM o EBC. Ver la figura 15 para un pantallazo de mostos preparados por Briess Malting and Ingredients Co ., presentado en 2008 en Craft Brewers Conference
en San Diego, CA. La imagen muestra un cambio dramático en el color de izquierda a derecha, amarillo/rojo a marrón en la transición de Munich-caramelo-chocolate-negra. Esta transición es aportada por el trabajo de Coghe et al., quienes muestran que el peso molecular (MW) de los productos de la reacción de Maillard cambia con la cantidad de calor aplicado. Específicamente, que colorantes amarillos de bajo peso molecular se forman primero, rojo segundo (también <7kDa) y que estos son aparentemente consumidos o transformados en compuestos de mayor peso molecular (>100kDa) a altas temperaturas asociadas con maltas tostadas. Nota: kDA significa kilo-Dalton. La unidad Dalton es sinónimo con unidad de peso atómico y es definida como 1/12 de la masa del isotopo de carbono 12. Para más información ver el apéndice A.
Tabla 7: Contenido de acido acético como una función del color de la malta.
Tipo de malta Pilsner Caramelo Caramelo Color (secada) Caramelo Caramelo Caramelo Tostada
Color (EBC) 5 19 25 37 79 110 240 610
Acido acético (ppm) 25 56 63 69 66 165 75 36
Fuente: Coghe, S., et. al, Impact of Dark Specialty Malts on Extract Composition and Wort Fermentation, J. Inst. Brew. 111(1):51-60, 2005.
Tabla 8: Cambios en el pH de macerado en función del tipo de malta. Malta
Tipo
Pilsner1 Melanoidina1 Caraaroma Carafa Pilsner 2 Melanoidina2 Caraaroma Carafa
Base Secada Caramelo Tostada Base Secada Caramelo Tostada
Color de mosto SRM 2 28 228 558 4,5 31 198 450
Composición del mosto (con malta base) 100% 50% 50% 50% 100% 50% 50% 50%
pH del macerado 5,96 5,50 5,08 5,18 5,79 5,32 4,93 5,10
Fuentes: 1-Coghe, S., et al, Fractionation of Colored Maillard Reaction Products from Dark Specialty Malts, J. Am. Soc. Brew. Chem. 62(2):79-86, 2004. 2-Coghe, S., et al, Impact of Dark Specialty Malts on Extract Composition and Wort Fermentation, J. Inst. Brew. 111(1):51-60, 2005.
Figura 15: Cada columna de mosto fue preparada con una sola malta, de izquierda a derecha, Munich 10, caramelo 20, caramelo 60, caramelo 120, chocolate y negra, a valores de SRM de 30, 20, 10, 2 (descendiendo en la columna). Notar el cambio visual en color y densidad de izquierda a derecha a medida que las maltas cambian el grado de secado y tostado. (Usado con permiso de Briess Malting, 2008)
pH del mosto como función del tiempo y temperatura de tostado.
Figura 16: Este grafico muestra la disminución en el pH de mosto con el tiempo de tostado a una temperatura específica. Las muestras de malta comenzaron del mismo
lote de malta base, con un pH de macerado de 5,98. Las muestras de malta fueron calentadas a una tasa constante para probar la temperatura de sacarificación. Esta curvas arrancan (T=0) cuando las muestras de malta alcanzan la temperatura especificada de tostado. Muestras de la malta fueron tomadas a intervalos indicados y el pH fue medido en un macerado (50%base/50%muestra). Es notable como el pH del maceado decrece con el aumento en tiempo y temperatura de tostado hasta el punto de 30 minutos a 160ºC, después del cual comienza com ienza a crecer. Igualmente, la información del tostado a 180ºC muestra a T=0 un pH de macerado de 4,97, mas alto que la última medida a 160ºC (4,86), lo cual es consistente con la tendencia de que decrece la acides a medida que aumenta la temperatura de tostado en el rango de 165-180ºC. Datos de Vandcan.
Además, el trabajo de Coghe et al. en 2004 demostró que el acido acético formado durante las reacciones de Maillard y la cantidad de acido en varias maltas sigue la misma tendencia que el peso molecular de los productos de la reacción. En otras palabras, la acides aumenta con el color de la malta para las maltas secadas y maltas caramelo, pero decrece en las maltas tostadas. Ver tabla 7. Si esta disminución se debe a la evaporación o a la incorporación posterior en la reacción de Maillard a estas altas temperaturas no se sabe. El punto es que los productos de la reacción de Maillard cambian físicamente y químicamente como resultado de un cambio de temperaturas de secado a temperaturas de tostado. Curiosamente, esta transición se ve en las medicines de pH también. Ver en la tabla 8 que el pH aumenta a medida que aumenta el color de la malta de 198-228 a 450-558 SRM. Otros investigadores como Troester y Bies han observado es cambio.
Una discusión de la acides y alcalinidad de la malta.
Una malta que es macerada con agua destilada se va a estabilizar en un pH típico o cerca para ese tipo de malta . Esto es llamado “el pH de agua des-ionizada” (DI pH). El DI pH para las maltas base esta generalmente en el rango de 5,6-6,0, aunque, dependiendo de la variedad de malta o de los factores de malteado puede ser menor.
El DI pH de las maltas base de menor color (es decir, 1-3 SRM o 2-6 EBC) está dirigido por las reacciones de fosfato de calcio, incluida la enzima fitasa. Colores más altos de malta base como pale ale, Viena y Múnich 10 generalmente tienen un DI pH más bajo (5,5-5,6) debido a una pequeña cantidad de acides de las melanoidinas (esta acides va a ser discutida después en esta sección). Una malta base que tiene un DI pH más alto que el objetivo es una malta alcalina. Recordar, la alcalinidad es definida como la cantidad de acido (mEq) que se requiere para cambiar el pH de una sustancia a un punto de pH más bajo. En el caso del sistema de carbonato, la “alcalinidad total” es la cantidad de acido requerido para reducir el 99% de las especies de carbonato y bicarbonato a acido carbónico y el pH final es de 4,3 (4,5 es ahora el estándar ISO). En el caso del macerado, el pH final es el pH objetivo de macerado, de 5,4. Sin embargo, si una malta base tiene un DI pH de 5,7, es considerada como alcalina comparada con el objetivo (ej. 5,4). La alcalinidad de la malta es medida por titulación, es decir, agregando cantidades medidas de acido o base para alcanzar un punto establecido. A medida que el acido o base es agregado, el pH de la solución cambiara como función de los mili equivalentes agregados. Si uno grafica el cambio de pH como función del acido o la base agregado en mili equivalente, la pendiente de la curva es la capacidad buffer de la sustancia. Por lo tanto, la alcalinidad o acides de una sustancias es igual a el cambio total en el pH multiplicado por la capacidad buffer.
Acides/alcalinidad Acides/alcalinidad = (pH final –pH de la malta DI) (capacidad buffer)
Las unidades para la acides y alcalinidad de la malta son mili equivalentes por kilo (mEq/kg). Las unidades para la capacidad buffer son mEq/(pH kg). Cuando se multiplica la capacidad buffer por el cambio en pH, las unidades de pH se cancelan y queda mEq/kg. Esto es muy importante: la acides o alcalinidad de una sustancia es definida como el cambio en pH multiplicado por la capacidad buffer de la sustancia, o la resistencia a cambiar el pH. No se puede hablar de alcalinidad o acides de una sustancia sin conocer o establecer el intervalo de pH para calificarlo. Es como querer comparar el camino al trabajo o casa sin saber la diferencia en distancia, si solo se sabe el límite de velocidad, no se puede saber cuánto tardaría cada ruta a tomar.
La capacidad buffer del agua o mosto se pude cuantificar de manera similar a las maltas, la única diferencia es el uso de litros en vez de kilo. Se puede convertir entre litros y kilos de solución una vez que se sabe la densidad de la solución. Volumen x densidad =peso. Las maltas especiales, por otro lado, tienen un DI pH que es menor al DI pH de las maltas base, y es generalmente menor al pH objetivo del macerado. EL DI pH de las maltas especiales se encuentra entre 4-5,5, dependiendo del tipo. En general, g eneral, el DI pH de las maltas espaciales decrece a medida que aumenta el color de la malta, pero esa tendencia no es consistente. El hecho de que el DI pH se encuentra por debajo del pH objetivo del macerado las hace acidas comparadas con las maltas base. Lógicamente, se pude ver que si uno tiene dos maltas, una base con un DI pH de 5,7 y una malta especial con un DI pH de 5,1 y se macera igual cantidad de ambas en agua destilada, uno puede esperar que la alcalinidad de la malta base se balancee con la acides de la malta especial. Uno puede esperar que el pH del macerado se establezca en el medio a 5,4, asumiendo que la capacidad buffer de las maltas sea la misma. En general, esta es la forma en cómo se determina el pH del macerado, aunque haya usualmente mas maltas y se tenga que tener en cuenta la capacidad buffer del agua también. Esto nos lleva de vuelta a la analogía de comparar caminos: la capacidad buffer de las varias maltas no son iguales y no son constantes. Es más fácil (o rápido) para una malta moverse a través de un rango especifico de pH que otra. Entonces, las dos maltas en nuestro ejemplo probablemente no se encontraran en el medio a 5,4. De hecho, la capacidad buffer de las maltas especiales tiende a ser más alta que la de las maltas base, entonces es más probable que el pH del macerado se establezca entre 5,3 o 5,2 que en 5,4. Las maltas especiales le deben su acides a los productos de la reacción de Maillard (es decir, melanoidinas, acido acético, etc.) creadas durante el proceso de secado y tostado. Maltas acidas o “souer” son incluso más bajas, en el rango de pH de
3-4 debido al acido láctico y/o mosto acido que es agregado a la malta antes del secado. A la fecha, dos estudios separados se han realizado para caracterizar el DI pH del macerado de los diferentes tipos de maltas. El primero fue realizado por Troester. El segundo por Bies et. al. Ambos estudios intentaron definir el DI pH del macerado para diferentes tipos de malta, la capacidad buffer de las maltas y buscar una relación
entre el color de la malta y estas propiedades. La forma de hacer el macerado difiere entre los estudios, sin embargo Troester usa un macerado de infusión simple con una relación agua-malta de 4 a 1 mientras que el estudio de Bies usa el procedimiento de ASBC Congress Mash , lo que explica algunas de las diferencias en los resultados. El
procedimiento experimental en el estudio de Bies consintió en macerar 75 gramos de cada malta y la titulación usando 10 mililitros de una solución de 0,1N hidróxido de sodio hasta un pH final de 7. El pH fue medido a una temperatura entre 65,5 y 54,5ºC mientras la muestra era enfriada durante la titulación. La acides de las maltas en el estudio de Bies fueron re calculadas después usando un pH final de 5,7 en vez de 7 para poder comparar mejor con la información de Troester. Un par de presunciones fueron hechas en la puesta a punto y análisis de los experimentos. Ellos asumieron que: la capacidad buffer de una malta es lineal y constante, es decir, que uno puede calcular la misma pendiente si se titula a pH 7 que a pH 5,7. De hecho, este no es el caso, como veremos. La base para comparar la acides de la mata fue el pH de 5,7. La información de laboratorio para el DI pH de macerado de la malta, la capacidad buffer de la malta y la alcalinidad/acides de la malta fue asumido como representativa para las condiciones normales de macerado. Esto es una gran generalización Por ejemplo, el DI pH del macerado para cualquier malta en particular va a decrecer gradualmente con el tiempo de exposición a medida que el agua toma tiempo para penetrar, solubilizar y liberar todos los constituyentes. EL DI pH del macerado “se estabiliza” aminorando
dramáticamente la tasa de cambio. Así, el cambio en pH seguramente no se detuvo durante el ensayo. Además, la acides de la malta deriva de una variedad de acido, teniendo cada uno una o varias constantes de acides (pK), las cuales varían con la temperatura. Así, el efecto de la acides y la capacidad buffer de las maltas especiales en el DI pH del macerado también depende de la temperatura del macerado. Un laboratorio debería hacer múltiples medidas a diferentes temperaturas (frio, resto de beta-glucanos, resto de proteínas, resto de sacarificación) para cuantificar apropiadamente el comportamiento de una malta en particular para la mayoría de las condiciones del macerado. Un problema fundamental con estos supuestos es el hecho que la acides o alcalinidad de una malta depende del destino, el pH final. Todas las maltas en los
estudios de Troester y Bies fueron tituladas con base en un pH de 5,7 o 7 para cuantificar la acides. Un resumen parcial de estas informaciones informaciones se presenta en la tabla 9 para ilustrar las similitudes y deferencias entre los tipos de malta y las muestras de malta de una misma malta (la significancia del punto final de la titulación no se volvió aparente para los autores de este libro hasta hace poco). Los intentos para analizar esta información nos llevo a varias discusiones entre los autores y A. J. deLange, quien decidió cuidadosamente titular titular una malta base con la esperanza de escribir la fuente del problema. En una titulación normal, el acido o la base se agrega a la sustancia a titular y el cambio en el pH (disminución para adición acida o aumento para adición básica) se anota. Una curva de pH contra acido agregado (es decir, considerando la base como acido negativo) es después dibujada y analizada. Si el analista hace varias adiciones de acido (construye la curva) y después hace adiciones de base a la misma misma solución, nuevamente nuevamente dibujando el pH, pH, la adición de base debería cancelar la adición de acido y el valor de pH de las adiciones de base deberían volver hacia atrás la curva de adición de acido. La adición de X mEq de acido seguido de X mEq de base resulta solo en la producción de X mmol de agua, el acido neutraliza la base. deLange ha hecho esto en unos primeros experimentos con malta y noto que las curvas de titulación no se vuelven sobre sí misma. El le atribuyo esto a los largos tiempos de reacción (también notado por Troester y Bies) y teorizo que toma tanto tiempo al acido reaccionar completamente con la malta que las mediciones de pH hechas por técnicas convencionales no son valores reales (equilibrio) de pH. Esto es consistente con sus observaciones en la cervecería, donde el pH del macerado podía tardar hasta una hora y media para estabilizarse. Entonces modifico el procedimiento de titulación para tener en cuenta el tiempo. Mas que obtener puntos de pH secuenciales de la misma muestra, es decir, agregando grano a agua destilada, medir el pH, agregar 10mEq/kg de acido, medir el pH nuevamente, agregar 10 mEq/kg, medir el pH, etc., hizo macerados separados para cada nivel de adición de acido (o base) y monitoreo el pH a lo largo del tiempo. Así, la primer medición para el DI pH del macerado (sin adición de acido) fue registrada constantemente durante un periodo de 35minutos. Después, un segundo macerado idéntico fue hecho pero con la adición de 10mEq/kg de acido. Nuevamente, el pH fue monitoreado y registrado por 35 minutos. Este procedimiento se hizo con cada adición de acido o base. Como conclusión de la
titulación, curvas separadas para el pH se realizaron para los 20, 25 y 30 minutos. Estas figuras se muestran en las figuras 17 a 20, y confirma que las características de la titulación de la malta dependen, en cierta medida, del tiempo luego de la aplicación.
Nota sobre pH metros y compensación automática por temperatura (ATC).
La temperatura afecta la medición de pH de dos maneras: 1) la respuesta electroquímica del electrodo cambia con la temperatura y 2) la actividad química de la solución (ej, el mosto) cambia con la temperatura. temperatura. La zonda del electrodo del pH metro necesita ser calibrada con soluciones buffer, típicamente a valores de pH de 4 y 7. Estas soluciones son buffer para ser más preciso el valor de pH a temperatura ambiente de 20-25ºC. Sin embargo, las compañías también publican cartas especificando el cambio preciso en el pH de la solución buffer con la temperatura. Los pH metros modernos modernos tienen una característica característica llamada compensación compensación automática automática de la temperatura (ATC). Es característica compensa la respuesta electroquímica de la zonda con la temperatura. En otras palabras, mantienen la calibración del zonda en función de la temperatura. Sin embargo, no tiene en cuenta cualquier cambio en el pH de la solución debido a la temperatura. temperatura. El pH del mosto a la temperatura de macerado (aprox. 65ºC) es sabido que es en 0,3 0,3 que el pH del del mismo mosto a temperatura temperatura ambiente (20ºC). Esto es porque los cerveceros siempre hacen referencia a las mediciones de pH a temperatura ambiente. Este es el estándar porque cuando se invento la escala de pH y se uso para el análisis de la cerveza, antes de la era de la electrónica, no había otra opción que medir el pH a temperatura ambiente y esa es la base de comparación. EL cambio en el pH del mosto como función de la temperatura puede ser aproximado con la ecuación:
pH (temperatura ambiente) = pH
macerado+
0.0055(Tm – T ambiente) en grados grados Celsius.
Tabla 9: Resumen parcial de la información de titulación de malta por Troester y Bies et. al .
Malta
Base de hileras Base de hileras Munich 10
Col or ºL
DI pH
2
Fuente: Troester (T) o Bies (B) Rahr-T
2
2
Briess-B Weyerman n-T Briess-B Briess-T Briess-B Briess-T Briess-B Briess-T Briess-B Briess-T Briess-B Briess-T Briess-B Briess-T Briess-B
Munich 10 Caramelo 20 Caramelo 20 Caramelo 40 Caramelo 40 Caramelo 60 Caramelo 60 Caramelo 120 Caramelo 120 Cebada tostada Cebada tostada Malta negra Malta negra
Capacidad buffer (mEq/pH kg)
Acides (mEQ/kg, 5,7)
5.56
--
--
--
2
5.80
40.3
16.1
16.1
10
5.54
35
5.6
4.9
10 20 20 40 40 60 60 120 120 300 300 500 500
5.52 5.22 4.81 5.02 4.51 4.66 4.67 4.75 4.67 4.68 4.42 4.62 4.40
36.9 29.6 37.6 37.6 46.5 48.5 46.3 48.4 59.3 38.8 48.5 41.5 43.4
15.9 14.2 6.7 25.6 41.3 50.4 55.0 46.0 61.0 39.6 62.0 44.8 54.6
4.4 -5.3 -22.2 -14.3 -41.4 -35.9 -33.8 -31.5 -43.3 -27.9 -47.5 -32.4 -43.4
pH
Alcalinidad/aci des (mEq/kg, pH 5,4)
-- = información no medida. En la última columna, números positives indican que la malta es alcalina en el macerado y números negativos indican que es acida.
Titulación alcalina y acida de la malta base Weyermann Pils.
Figura 17: La curva de titulación para múltiples muestras de malta Weyermann Pils de deLange. La información de pH (círculos) se ajustaron a la curva usando la serie de expansión de Taylor centrada en el DI pH. El pH en la adición 0 de acido es DI pH de la malta (5,485), como fue medida por deLange.
Una ventaja de la serie de expansión de Taylor para ajustar información a la curva, como en la figura 17, es que la derivada de la curva es fácil de calcular. (Para los cálculos: la derivada de un punto de la curva es, por definición, la pendiente en ese punto, justo como la integral de la curva es el aérea por debajo de la curva). Dibujando la derivada de una curva como una función del pH nos permite ver cuánto cambia la capacidad buffer de la malta a medida que la muestra es titulada. Ver figura figura 18. Los experimentos fueron replicados a diferentes tiempos y para dos maltas adicionales: malta caramelo Briess 80ºL y malta chocolate Crips Malting 600ºL. Los
resultados son iluminadores. Ver figuras 19 y 29. Los resultados confirman que el tiempo es un factor importante para el cambio de pH en el macerado. En el rango particular de pH de un macerado típico, la acides o alcalinidad de las maltas es aproximadamente aproximadamente linear y cualquier desviación desviación de la linealidad puede ser interpretada como un error menor, pero la no linealidad y tendencia de estar curvas se repite en 9 grupos de datos. Esto sugiere que la acides de la malta es no linear con respecto al pH.
Capacidad buffer o una malta sola.
Figura 18: EL cambio en la capacidad buffer de la malta Weyermann Pils como función del pH. De deLange.
Las curvas en las figuras 18 a 20 muestran claramente el cambio en la capacidad buffer de las maltas a medida que el pH cambia durante la titulación. Esta es probablemente la mayor fuente para la aparente variabilidad de los números de la alcalinidad y acides recalculado en la última columna de la tabla 9. El recalculo asume que la pendiente de la curva de titulación (capacidad buffer) es la misma para una malta a un DI pH de 5,7 o 5,4, o en el caso de un malta base que la pendiente debajo del DI pH es la misma que la pendiente arriba del DI pH, y claramente no lo es. Por supuesto, el cambio del punto final de 5,7 a 5,4 también cambia la magnitud de alcalinidad o acides de la malta. Estos efectos son ilustrados más claramente en la figura 21.
Alcalinidad/acides Alcalinidad/acides de tres maltas.
Figura 19: Este grafico de deLange muestras el ajuste de la curva de expansión de Taylor para los datos. En general, la no linealidad de las tres curvas para cada tipo de malta aumenta con el tiempo de macerado (20, 25 y 30 minutos). Es interesante notar que la curva de acides para la malta caramelo 80ºL va muy cerca de la curva para la malta chocolate 600ºL en el rango general de interés para pH de mac erado (4,5-5,5).
Capacidad buffer de tres maltas.
Figura 20: El grafico de las capacidades de buffer de deLange para las tres maltas de la figura 19. Notar como el grado de cambio de la capacidad buffer de cada tipo de malta malta generalmente aumenta con el tiempo de macerado (20, 25 y 30 minutos).
La capacidad buffer de las tres maltas determina la contribución de la acides de la malta.
Figura 21: Determinado la contribución de la acides de la malta al macerado: La contribución de la la alcalinidad o acides acides
de una malta malta es calculada calculada del DI pH del
macerado al pH objetivo. Un objetivo de 5,4 es mostrado acá. El objetivo podría ser fácilmente 5,2 y eso cambiaria cambiaria la contribución de las maltas. Por ejemplo, la alcalinidad de una malta base con respecto a 5,3 seria de 20mEq/kg.
En este momento, las mejores conclusiones que podemos sacar de esta información es: 1-la acides titulada de los diferentes tipos de mata siguen la misma tendencia general en todos los estudio. 2-las maltas base son generalmente alcalinas con respecto al rango de pH de macerado objetivo de 5,2-5,6. 3-las maltas especiales son generalmente acidas con respeto al rango de pH de macerado objetivo de 5,2-5,6. 4-La capacidad buffer de una malta cambia en función del rango de pH hacia la cual se titula. 5-la cantidad de alcalinidad o acides de una malta (mEq/kg) depende del DI pH de la malta, la magnitud del cambio en el pH y la capacidad buffer de malta a lo largo del cambio de pH. 6-Para cambios pequeños de pH, la capacidad buffer puede ser aproximada por el valor promedio de rango. 7-Mas información sobre titulación de malta para múltiples fuentes en necesaria usando un procedimiento común, replicación y compilación para una mayor confianza en las tendencias de la malta y los l os parámetros generales por tipo de malta.
Determinar la alcalinidad del agua en el macerado.
El poder buffer del agua (mEq/pH l) depende mayormente de las especies de carbonato. Sin embargo, la distribución de las especies de carbonato cambia en función del pH y este cambia cambia el número de mili equivalente por mol. Así mismo, la “alcalinidad” del agua cambia como función del pH y del punto final, como la alcalinidad y acides de la malta lo hacen. La “alcalinidad total como CaCO 3” del agua es definida como la cantidad de
acido (en mEq/l) requeridos para bajar el pH a 4,3, donde (teóricamente) todo el bicarbonato y carbonato se ha convertido en acido carbonico y no es más alcalina. La definición de alcalinidad residual de Kolbach es la RA que iguala la alcalinidad total menos la dureza efectiva de calcio y magnesio dividido por el factor de 3,5. El problema con esta definición cuando se quiere evaluar la alcalinidad (mEq/l) del agua en el macerado es que no llegamos al pH de 4,3, solo se llega a 5,4 (por ejemplo). El objetivo de pH del macerado puede ser 5,2, 5,5 o cualquiera, el punto es que no es 4,3, como veras, un objetivo de pH del macerado de 5,4 es conveniente para los cálculos. En general, la alcalinidad del agua puede ser definida como los mili moles totales por litro de especie de carbonato (CT) multiplicado por la carga (mEq/mmol) como funció n del pH. En otras palabras:
Alcalinidad del agua (mEq/L) (mEq/L) = CT (mmol/L) carga (mEq/mmol) a un especifico especifico pH.
Nota: el término “carga” es otra forma de expresar el numero de equivalentes por mol (o mEq/mmol) de una sustancia, es decir, una carga de 1,3=1,3 mEq/mmol.
Para determinar determinar el valor de la alcalinidad actual que el agua ejerce en el macerado, vamos a necesitar la alcalinidad total como CaCO 3 y el pH del agua de un reporte. También necesitamos elegir el objetivo del pH de macerado, como ser 5,4. El cálculo de la alcalinidad del agua es similar al cálculo de la alcalinidad de la malta base como se muestra en la figura 21. La diferencia es que usamos el pH inicial del agua en
vez del DI pH del macerado para la malta, pero ambos son calculados con respecto al pH de macerado objetivo. Para aclarar, introducimos la nomenclatura “Z”, de la palabra alemana “Ziel”, que significa objetivo. Este indica que la alcalinidad de una
sustancia, particularmente particularmente agua, se calcula con respecto del pH objetivo. El pH objetivo o bjetivo pude ser indicado a continuación de Z, por ejemplo, Z 5,4 o simplemente “Z pH” en la discusión.
Nota: La nomenclatura Z se aplica a la alcalinidad y acides de las maltas también, donde indica la titulación a un pH de macerado objetivo en vez de un pH arbitrario como 7.
El primer paso para el cálculo de la alcalinidad Z es calcular la cantidad total de especies de carbonato en el agua (CT). Como notamos arriba, la definición de alcalinidad total son los mili equivalente de acido por litro necesarios para mover el pH del agua de donde este a 4,3. Ese número de mili equivalente es multiplicado por el peso equivalente del carbonato de calcio (50) y se obtiene un número como 125ppm de CaCO3. El problema es que la carga o número de equivalentes por mol de carbonato de calcio cambia con el pH. Por lo tanto, debemos calcular exactamente cuántos moles de especies de carbonato están en solución contra la convención de los 50g/mol de peso equivalente. La matemática no es difícil pero es más fácil explicarlo con un ejemplo. Asumamos que tenemos un agua para elaborar cerveza con la siguiente composición:
70 Ca 15 Mg 125 alcalinidad total (ppm como CaCO3) 30 Na 60 Cl 85 SO4-2 pH. 7.5
Nota los parámetros deben ser medidos en la misma muestra de agua. Usar promedios anuales puede introducir errores en los cálculos.
1-El primer paso es determinar CT, los moles (mili moles) de carbonatos en el agua. La alcalinidad es igual a los mili moles totales de las especies de carbonato multiplicado por el cambio en la carga entre el pH inicial (del agua) y el punto final de la titulación (asumido en 4,3). Ver figura 22, carga (mEq) por mili mol de especie de carbonato.
Usando la información del agua del ejemplo, la carga a pH de 7,5 es de alrededor de 0,93 y la carga a 4,3 es 0,01 (incluso si el punto final de la titulación sea 4,4 o 4,5, el valor de la carga es igual de 0,01). Restando: -0,01 —0,93=+0,92 (la alcalinidad es considerada positiva para nuestro n uestro propósito). Esta carga delta (Δc) y por claridad nos vamos a referir a carga delta a pH 4,3 como Δc0 (es decir, del ta “C-cero”). La alcalinidad total como CaCO 3·, por definición, es
los mEq de acido multiplicado por 50, por lo tanto, dividir la alcalinidad total por 50 para volver a mEq/l de acido.
125/50=2,5 mEq/l
Alcalinidad total = CT x Δc0 y por lo tanto CT= alcalinidad alcalinidad total / Δc0
CT= 2,5/0,92 = 2,72mmol/l (un cambio pequeño pero significativo de 2,5)
2- EL Segundo paso es tomar CT y multiplicarlo por el actual cambio en la carga que el agua va a experimentar cuando se mueve del pH inicial al pH de macerado objetivo, ΔcZ. Esto va a determinar la alcalinidad Z del agua en el macerado. Usando un Z de 5,4: EL ΔcZ. del pH del agua al pH de macerado objetivo es:
-0.1 - -0.93 = +0.83 mEq/mmol
Entonces, la alcalinidad Z 5,4 del agua en el macerado es:
2.72 x 0.83 = 2.26 mEq/L
Nuevamente, es un pequeño pero significativo cambio en la cantidad de alcalinidad comparada con la alcalinidad total como CaCO3 (2,5 mEq/l). La contribución entera de la alcalinidad Z 5,4 del agua al macerado es obtenida multiplicando por 2,26 mEq/l por el volumen de agua del macerado en litros.
Carga (mEq) por mili mol de especie de carbonato.
Figura 22: La curva muestra el número de mEq/mmol como una función del pH del agua. Para usar el grafico, restar los valores (mEq/mml) correspondientes al cambio en pH. Por ejemplo, la contribución neta en mEq/mmol del agua a pH 7, yendo a pH 6 seria: -0,3- -0,8 = 0,5 mEq/mmol (positiva porque representa alcalinidad). La alcalinidad Z es igual al cambio neto en la carga ( ΔcZ) multiplicada por el número de mili moles de carbonatos totales (CT).
Introduciendo la alcalinidad residual Z (Z RA).
Esencialmente, la alcalinidad residual de Kolbach necesita ser recalculada usando la alcalinidad Z que calculamos en la sección previa. La forma de la ecuación Kolbach para la alcalinidad residual todavía aplica, pero con la sustitución del nuevo valor de alcalinidad Z. El efecto efecto del calcio calcio y el magnesio magnesio no cambia, pero como como veremos en la sección que sigue, tiene sentido calcular todos los términos como mEq/l, en vez de “cómo CaCO3”. La ecuación para Z RA es:
Z RA = Z alcalinidad - (Ca/3.5 + Mg/7)
Yendo a la composición del agua usada en el ejemplo, la concentración de calcio es 70ppm y la de magnesio 15ppm. Esta concentración convertida por su peso equivalente es 3,5 mEq/l de calcio y 1,24 mEq/l de magnesio respectivamente. Aplicando estos valores a la ecuación nos da:
Z5.4 RA = 2.26 mEq/L - (3.5/3.5 + 1.24/7) = 1.08 mEq/L alcalinidad residual Z para un pH de macerado objetivo de 5,4.
La hipótesis para predecir el pH del macerado.
La base para predecir el pH del macerado es que los protones, o cargas totales, se conservan. En otras palabras, el pH del macerado quedara donde las cargas totales positivas se balanceen con las cargas totales negativas. Un acido es un donador de protones y un base (es decir, la alcalinidad) es un receptor de protones. Por lo tanto, el pH del macerado quedara donde la cantidad total de alcalinidad en el macerado se igualen con la cantidad total de acides. Determinar el pH del macerado donde esto ocurre para un macerado en particular puede ser tedioso, pero no complejo. Es una cuestión de prueba y error, elegir un pH final, determinar el correspondiente delta pH para cada componente, calcular la alcalinidad o acides de cada componente de su capacidad buffer y sumar de mEq/, positivo y negativo, tratar y que de 0. La predicción se puede aproximar por la otra dirección también, donde en vez de encontrar el pH del macerado que satisface la condición condición de suma 0, uno u no elige la pH de macerado objetivo y agrega la cantidad necesaria de carga con la adición de un acido o base fuerte al macerado para que la suma total sea 0. Acá están los componentes para estimar el pH del macerado. La alcalinidad y acides Z de la malta, consisten en:
pH de macerado objetivo (Z pH). DI pH del macerado para cada malta. Capacidad buffer de cada malta para el rango de cambio de pH para cada malta, o curvas como en la figura 21, que muestra el cambio en alcalinidad /acides como una función del pH. El peso de cada malta en kilogramos.
EL Z RA del agua de macerado, consiste en:
pH de macerado objetivo (Z pH). pH del agua inicial. Alcalinidad Z del agua. Concentraciones Concentraciones de calcio y magnesio en mEq/l. Volumen del agua en el macerado.
La metodología básica para predecir el pH de macerado de las maltas y el agua es la suma 0 de las alcalinidades y acidez, al igual que sumando los mili equivalentes cuando se determina la valides de un reporte de agua. Como notamos previamente, la alcalinidad es considerada positiva y la acides negativa. El factor Z RA puede también descomponerse descomponerse en sus componentes (alcalinidad Z, calcio y magnesio) para sumarlos si el cervecero lo desea.
1- Arrancar del pH de macerado con agua destilada de la malta base. 2- Determinar tu pH objetivo y determinar la contribución de la alcalinidad de la malta base como se muestras en la figura 21. 3-Multiplciar el peso de la malta base en kilogramos por el valor de alcalinidad de la malta. Esta es la alcalinidad total de malta base para pa ra neutralizar. 4- Calcular CT y alcalinidad Z del agua para elaborar cerveza. Calcular Z RA en mEq/l. Multiplicar Z RA por el volumen total del agua de macerado en litros. Agregar este valor a la alcalinidad de la malta base. Notar que Z RA puede ser negativa. 5- Determinar la contribución de acidez (en mEq) de cada una de las maltas especiales (masa x mEq/kg) en la receta, como se demuestra en la figura 21. Notar que las contribución de la malta Viena y Munich, por ejemplo, puede ser alcalina con respecto al pH objetivo. 6. Determinar la suma de mili equivalentes, alcalinidad contra acidez. La suma puede ser positiva o negativa. Un valor positivo significa que el pH va a ser más alto al pH objetivo y viceversa. En este punto hay dos opciones: a) se pude agregar el numero de mEq necesarios para sumar 0 mediante el agregado de un acido o base fuerte para lograr el pH objetivo o b) se puede buscar un pH objetivo distinto (mas alto o más bajo,
dependiendo) y correr el método nuevamente para tratar de terminar el pH de suma 0.
El resultado final de eso es que es má s practico poner “una prueba de macerado”, medir el pH y planear ajustes desde ahí. Esto de diseñar el proceso puede
ser aburrido para algunas personas, pero es más duro discutir con los resultados.
Referencias.
1. Bamforth, C. “pH in Brewing: An Overview.” MBAA Tech Quart., 38(1), 1-9, 2001.
2. Troester, K “The Effect of Brewing Water and Grist Composition on the pH of the Mash.” www.braukaiser.com, 2009.
3. Coghe, S., et al. “Characterization of Dark Specialty Malts: New Insights in Color Activity.” J. Am. Soc. Brew. Chem. 61(3):125-132, Evaluation and Pro- and Antioxidative Activity.” J.
2003.
4. Coghe, S., et al. “Fractionation of Colored Maillard Reaction Products from Dark Specialty Malts.” J. Malts.” J. Am. Soc. Brew. Chem. 62(2):79-86, 2004.
5. Coghe, S., et al. “Sensory and Instrumental Flavour Analysis of Wort Brewed with Dark Specialty Malts.” Malts.” J. J. Inst. Brew. 110(2): 94-103, 2004.
6. Coghe, S., et al. “Impact of Dark Specialty Malts on Extract Composition and Wort Fermentation.” J. Fermentation.” J. Inst. In st. Brew. 111(1): 51-60, 2005. 7. Coghe, S., et al. “Development of
Maillard Reaction Related Characteristics During Malt Roasting.” J. Inst. Brew. 112(2): 148-156, 2006.
8. Vandecan, S., et al. “Formation of Flavor, Color, and Reducing Power During the
Production Process of Dark Specialty Malts.” J. Am. Soc. Brew. Chem. 69(3):150-157, 2011.
9. Bies, D., Hansen, R., Palmer, J. “Malt Titrations and Mash pH Prediction.”
Unpublished, Briess Malt and Ingredients Co., 2011-2012.
10. deLange, A. J., wetnewf.org/pdfs/estimating-mashph. html, 2013.
6 Controlando la alcalinidad Declaración de no-adherencia.
Cuando en el curso de los eventos de la elaboración de cerveza, se vuelve necesario para los cerveceros disolver las uniones químicas, que lo han ligado a la alcalinidad de agua, y asumir entre los poderes de la tierra, la posición separada e igual a las que las leyes de sacarificación y fermentación les dan derecho, un respeto decente a las opiniones sobre Reinheitsgebot requiere que ellos declaren las causas por las cuales los impulsan a la separación. Mantenemos estas certezas para ser evidentes, que no todos los m acerados son creados iguales, que son realizados por su creador con ciertas propiedades inalienables, las cuales son los granos, pH y búsqueda eventual de lúpulos , felicidad de lupulos). (“hoppiness” Que para garantizar estos derechos, las prácticas de elaboración de cerveza se instituyen entre los hombres, derivando sus parámetros del consentimiento de los eruditos. Que siempre que cualquier forma de ingrediente o práctica se vuelva destructiva para estos fines, es el derecho de los cerveceros alterarlo o prohibirlo e instituir nuevas prácticas, dejando sus bases en estos principios y organizando sus poderes en tal forma, que a su juicio sean más probables para optimizar su pH o rendimiento. La prudencia, sin embargo, va a dictar que las practicas cerveceras establecidas hace tiempo no deberían ser cambiadas por causas ligeras y en consecuencia toda la experiencia que ha mostrado, esos cerveceros están más dispuestos a sufrir, mientras
el rendimiento sea soportable, que ha corregirse ellos mismos mediante la eliminación de las formas a las cuales están están acostumbrados. Pero cuando un largo viaje viaje de alto pH y bajo rendimiento, persiguiendo invariablemente las mismas evidencias de cerveza una receta de total mediocridad, es su derecho, es su deber, tirar esas prácticas y proveer nuevas lineamientos lineamientos generales generales para su futura futura prosperidad. Tal ha sido el paciente sufrimiento de estos cerveceros y tal es ahora la necesidad de forzarlos a alterar sus anterior adhesión a la Reinheitsgebot. La historia completa de la malta, lúpulos, agua y levaduras es una historia de errores repetidos y transgresiones, todo el tiempo teniendo el objetivo directo del sostenimiento de la absoluta providencia dentro del sistema. Para probar esto, dejemos que los hechos sean presentados a un mundo sincero. Que el pH de macerado preferido esta en el rango de 5,2-5,6. Que el pH del agua des-ionizada de maltas base típicamente esta en el rango de 5,6-6,0, dependiendo de muchos factores como variedad, ambiente de malteado y estación. Que la alcalinidad debida al carbonato, bicarbonato y acido carbónico va a actuar aumentando el pH de macerado alejándolo del valor de pH del agua de ionizada. Que en la ausencia de altos niveles de calcio, magnesio, buffer acido débil en maltas especiales coloreadas o los desechos de la bacteria Lactobacillus, el pH del macerado no va a bajar por si solo ala rango objetivo. Nosotros, varios, los miembros de la comunidad de cerveceros, apelando al sentido común del mundo para para
la rectitud rectitud de nuestras intenciones, intenciones, publicamos publicamos y
declaramos solemnemente, que estos cerveceros son, y por derecho debería ser, pensadores libres e independientes, que son absueltos de toda fidelidad a la Reinheitsgebot y que todas las contribuciones entre ellos y sus suministros de agua, son y deberían ser totalmente disueltas; y que como cerveceros libres e independientes, tiene el poder total para agregar acido, reducir la alcalinidad, cambiar los granos, establecer el pH deseado y hacer cualquier otro acto o cosa que par ezca ser lo que está bien. Y para el soporte de esta declaración, con una firme dependencia en la protección de la divina providencia no obstante, nosotros empeñamos mutuamente nuestras vidas, nuestras fortunas y nuestro honor, como debería ser.
En este capítulo, vamos a mostrar métodos para controlar la alcalinidad y la química que hay por detrás. Muchos cerveceros son rehaceos a estudiar química y prefieren confiar a la providencia que dios nos ama y quiere que tengamos cerveza. Pero, como se le atribuye a Thomas Jefferson, “soy un gran creyente en la suerte y encuentro que cuanto más trabajo, mas tengo de ella”. En otras palabras, uno puede confiar en la divina providencia que la sacarificación y que el sabor de las grandes cervezas ocurre naturalmente naturalmente o uno puede trabajar para mejorar la chance de que eso es o ocurra. Una cosa que necesitamos recordar como cerveceros es que estamos tratando de controlar o reducir la alcalinidad, no la dureza. Muchos anuncios para procesos comunes de tratamiento de agua hablan sobre remover la dureza temporal o reducir la dureza permanente como objetivo. Como cerveceros, usualmente no queremos reducir o remover la dureza de nuestra agua, solo la alcalinidad. (El agua procesada es otra cosa).
Reducción de la alcalinidad.
El agua más difícil con la cual hacer cerveza es el agua altamente alcalina. La alcalinidad aumenta el pH del macerado del rango de 5,2-5,6 en detrimento de las reacciones que queremos en la olla de macerado. Se ha observado que los estilos de cerveza que conocemos hoy emergieron de una combinación de la disponibilidad de agua de los cerveceros de antaño y de los métodos que emplearon para combatir la alcalinidad del agua. Alguno cerveceros creyeron en la acides de las maltas secas o tostadas o inventaron métodos únicos de macerado y elaboración de cerveza para bajar el pH del macerado. Algunos aprendieron a remover la alcalinidad por los métodos que vamos a discutir. Vamos a examinar estos métodos desde los más fáciles a los más complicados.
Dilución con agua RO.
EL método más simple disponible hoy en día para reducir la alcalinidad del agua es diluir el agua alcalina con agua de osmosis inversa (RO) o des-ionizada (DI). Diluir la fuente de agua en la relación 1:1 cortan efectivamente las concentraciones de minerales y alcalinidad a la mitad, y es lo mismo que decir que el agua se diluyo al 50%. Para diluir una solución al 70%, significa que la concentración de un ion es ahora el 30% de lo que era originalmente, etc. Esta relación es verdad solo técnicamente para soluciones muy diluidas donde la densidad de la solución no cambia. Es más cierta para el agua que para el mosto, por ejemplo.
Hervido.
El hervido ha sido usado por cientos c ientos de años para reducir la alcalinidad y dureza del agua. En general, la forma en que trabaja es que el aumento en la temperatura cambia el estado de saturación de todas las especies de carbonato de la solución. Primero, el dióxido de carbono abandona el agua debido al aumento en la temperatura. La remoción de CO 2 desbalancea el equilibrio entre el bicarbonato y carbónico, el cual causa la conversión de iones de bicarbonato a acido carbónico y CO 2 acuoso, consumiendo protones. Esto aumenta el pH. EL aumento en pH causa que parte de los iones de bicarbonato remanentes se conviertan en iones de carbonato. Esto resulta en saturación con respecto al carbonato de calcio, el cual precipita. Esto causa un posterior desequilibrio, de acuerdo con el principio de LeChatelier, y la conversión de más bicarbonato en carbonato. Por lo tanto la concentración de bicarbonato decrece decrece a favor de carbónico y carbonato hasta que el producto iónico del de l calcio y carbonato cae por debajo de pKs (el cual es un poco mayor, es decir, actualmente una menor concentración, 10-pKs, de la que seria a temperatura ambiente, pKs cambia cambia de 8,44 a 20ºC 20 ºC a 8,67 a 50º). El dióxido de carbono deja el agua de dos maneras: primero, una reducción en la presión parcial efectiva sobre el agua causa que este se junte en micro burbujas; segundo: es arrastrado por el vapor a medida que el agua hierve. Esta evolución y constante precipitación continua hasta cerca de 1 mili equivalente por litro tanto de calcio o carbonato remanente. Este ultimo mili equivalente por litro como CaCO 3 no
precipita y permanece soluble. El carbonato de calcio que precipito existe como micro cristales
en suspensión, suspensió n, los cuales eventualmente eventualm ente crecen en peso hasta que
sedimentan. De acuerdo a textos históricos de elaboración de cerveza como los de Sykes, el agua debía típicamente ser hervida por media hora para permitir al CO 2 ser arrastrado por el vapor y se dejaba después toda la noche dejando una capa de precipitado blanco en la base de la olla. Al agua de alcalinidad reducida se le podía entonces sacar el sedimento para usar en la elaboración de cerveza. Esta reacción está limitada a agua con moderada o alta alcalinidad porque el resultado de la reacción es reducir los niveles de calcio y bicarbonato a cerca de un mEq/l de cada uno (20 y 61ppm). De hecho, a menos que el agua tenga significativamente más de 1mEq/l de cada uno (ej. 3-5 mEq/l), la fuerza de la reacción será baja y el hervido para reducir la dureza y alcalinidad de lagua será menos efectiva. Esta reacción es: Ca+2 + 2HCO3-1 ↔ CaCO3 (ppt) + CO2(g) + H2O En otras palabras. Un mol de iones de calcio reacciona con dos moles de iones de bicarbonato para formar un mol de carbonato de calcio precipitado (ppt), un mol de dióxido de carbono gaseosos y un mol de agua. La ecuación también puede ser escrita en términos de gramos de pesos moleculares por mol: 40g Ca+2 + 122g HCO3-1 ↔100g CaCO3 + 44g CO2+ 18g H2O Estas forma también muestra las proporciones que reacciones en solución cómo mg/l, es decir, 40mg/l de Ca +2 + 122 mg/l HCO 3-, etc. Ver el apéndice A par más información sobre ecuaciones químicas y estequiometria estequiometria
Nota: El hervido típicamente no afecta los niveles de magnesio porque el carbonato de magnesio es mucho más soluble que el carbonato de calcio.
La flecha bidireccional en esta ecuación nos dice que la reacción es reversible, lo que significa que no solo el bicarbonato reacciona con el calcio para formar carbonato de calcio, agua y dióxido de carbono, sino que también el dióxido de carbono se puede disolver en el agua para reaccionar con carbonato de calcio para
formar iones de calcio y bicarbonato. Esta es la forma como el bicarbonato entra en el agua en primer lugar. Ver el capitulo 4 para más información de carbonatos. El principio de LeChatelier, que se aplica a todos los equilibrios químicos, dice que si un cambio o estrés es impuesto a un sistema en equilibrio, la posición del equilibrio cambiara en la dirección para reducir el efecto del cambio o estrés. Esto significa que si queremos aumentar la cantidad de precipitado de carbonato de calcio, podemos agregar reactivos (lado izquierdo) y/o remover producto (lado derecho). Entonces podemos aumentan la cantidad de bicarbonato convertido y la cantidad de precipitado formado, aumentando la concentración de calcio y /o bicarbonato en el agua, o remover el dióxido de carbono. (El carbonato de calcio se remueve por si solo del sistema cuando precipita). Notar que mientras que nuestro objetivo es remover el bicarbonato (alcalinidad), estamos simultáneamente removiendo calcio, lo cual no es necesariamente deseado. De todos modos los cervecero que descarbonatan el agua de esta forma generalmente remplazan la pérdida de calcio por la adición de cloruro de calcio y/o sulfato de calcio. Ayuda si se hace antes de la descarbonatación ya que el calcio favorece el proceso de descarbonatación, de acuerdo al principio de LeChatelier. La remoción de dióxido de carbono se puede realizar permitiendo que el agua hierva entonces el CO 2 es eliminado por el vapor o haciendo pasar el agua caliente por una boquilla en forma de espray para que se airee. La remoción de CO 2 efectiva remueve acido, remover acido aumenta el pH y un pH alto favorece la conversión de bicarbonato a carbonato: Ca+2 + 2HCO3-1 ↔ Ca+2 + CO3-2 + CO2 + H2O ↔CaCO3 + CO2 + H2O Cuanto más alto se pueda hacer el pH en este proceso, mayor la alcalinidad que se remueve, esto es generalmente logrado con el burbujeo de aire o vapor a través del agua para agitarla hasta un pH de 8,5 o más. EL agua puede ser descarbonatada por dejado de las 50ppm de alcalinidad como CaCO3 sin demasiado problema, pero la cantidad de calcio en el agua es usualmente un factor limitante. El calcio residual después del ablandamiento ablandamiento por hervido puede ser calculado calculado con la siguiente ecuación: ecuación: [Ca]f = [Ca]i - (([HCO3-]i - [HCO3-]f)/3.05)
Donde las concentraciones iniciales iniciales y finales [ ] son en ppm y el factor 3,05 es la conversión de los equivalentes de bicarbonato y calcio. La cantidad [HCO 3-]f es el estimado de la concentración concentración final final de bicarbonato, bicarbonato, 61ppm de HCO3-, el cual es equivalente a 50ppm de alcalinidad como CaCO 3 a un pH de 8,3. Esta concentración final de 61ppm se basa en condiciones ideales. Usando un valor más conservador, conservador, más realista, de 80ppm de bicarbonato, permitido para condiciones que no ideales y donde la reacción no procede hasta el final. Una concentración final de bicarbonato entre 61 y 80ppm es más común cuando el calcio no es la cantidad limitante. Por ejemplo, si un agua tiene 70ppm de calcio y 150ppm de alcalinidad total como CaCO 3·con un pH de 8, ¿cuál sería la concentración final de calcio? Primero necesitamos convertir la alcalinidad a la concentración en equivalente de bicarbonato, y como el pH es 9, la gran mayoría de la alcalinidad total es bicarbonato y el factor de conversión de la alcalinidad total x61/50= [ HCO3--] es válido (lo suficientemente cercano). La ecuación se verá como: [Ca]f = 70 - ((183 - 61)/3.05) = 30 ppm Ca +2 final
La cantidad de calcio es generalmente el factor limitante, lo que significa que la concentración final de bicarbonato va a ser mayor de 61ppm. Esta reacción de precipitación trabaja mejor cuando la dureza total como CaCO 3 es mayor que la alcalinidad total cómo CaCO 3. Típicamente la reacción va a parar cuando la concentración de calcio se aproxime a 1 mEq/l o 20ppm, pero puede ser menor en algunos casos, ente 12 y 20ppm. También trabaja mejor si la dureza permanente es mayor a la dureza temporaria, lo que significa que está lleno de calcio para impulsar la reacción y casi todo el bicarbonato pude ser removido, excepto el de 1mWq/l (50ppm como
CaCO3).
La
mejor
manera
para
incrementar
la
relación
dureza
permanente/temporaria es agregar sulfato de calcio o cloruro de calcio al agua. Las sales también van a actuar como sitios de nucleación y ayudar a sacar el CO 2.
Agregar carbonato de calcio también aumenta la precipitación de carbonato de calcio. Aunque en un principio parece ir en contra del principio de Le Chatelier, agregar
algo de tiza molida al agua es beneficioso porque provee sitios de nucleación y crecimiento para el carbonato de calcio que sale de la solución y promueve la precipitación. precipitación. La tiza agregada nunca se disuelve y por lo tanto no es parte p arte del sistema. ¿Pero qué pasa si no se permite al agua enfriarse o al precipitado sedimentar? El agua de alta alcalinidad pude ser parcialmente descarbonata por el calentamiento a temperatura menor a la de hervido. EL punto de saturación del carbonato de calcio aumenta con la temperatura y los micro-cristales de carbonato de calcio se formaran a medida que el agua se calienta hasta la temperatura esperada. El grado de precipitación va a depender de varios factores como las concentraciones iniciales de calcio y bicarbonato, el cambio en la temperatura del agua y cuanto CO 2 de la solución. Un estudio sobre hervido fue conducido en Londres en 1851 usando agua que fue “artificialmente preparada… conteniendo 13,5 granos de carbonato de cal por galón”.
Los resultados del experimento están en la tabla 10. El autor del trabajo concluye “ ...el efecto de ablandado no se desarrolla en un principio, pero un hervido prolongado es requerido para lograr el mayor grado de ablandamiento. Para poder deshacerse de la dureza temporal de agua, una fuerte hervido es necesario por no menos de 20 minutos…”. Por lo que el calentado del agua a una temperatura buscada puede
resultar en una reducción pequeña de la alcalinidad y dureza. El agitamiento o aeración vigorosos puede ayudar al CO2 a disolverse y aumentar la precipitación. El resultado es que una pequeña parte de la alcalinidad inicial precipitara, pero permanecerá suspendida en el licor caliente si se agrega al macerado. ¿Cuál es el efecto de precipitado suspendido en el agua ag ua si es agregado directamente directamente al macerado? Esta es una buena pregunta. Los efectos sobre la alcalinidad residual y el pH de macerado serán tratados más adelante en este capítulo.
Tabla 10: Reducción de la dureza y alcalinidad por calentamiento y hervido.
Tiempo en el punto de ebullición (fría) 0 5 15 30 60
Dureza como granos por galón imperial 13.5 11.2 6.3 4.4 2.6 2.4
Dureza como ppm como CaCO3 192 160 90 63 37 34
De Latham, B., Softening of Water, Journal of the Society of Arts, Vol. 32, Londres, 1884.
Ablandado con cal.
La reducción de la alcalinidad con cal apagada (hidróxido de calcio) es muy similar al método de hervido, pero la cal apagada agrega mas calcio y aumenta el pH, logrando menores niveles de alcalinidad con el hervido solo. También tiene el beneficio de reducir el hierro, magnesio y sílice junto con compuestos de materia orgánica como amonio. El proceso de la cal apagada fue patentando en 1841 por el doctor Thomas Clark de Aberdeen (Escocia) como forma de ablandar y purificar el agua del rio Tamesis. En una carta a la Sociedad de las Artes en 1863 explicando el proceso, el anota: “un residuo pequeño de tiza siempre queda no separado por el proceso. De
17,5 granos contenido en 3,78 litros solo 16 va a ser depositados y 1,5 van a permanecer. En otras palabras, agua con 17,5 grados de dureza procedente de la tiza puede ser reducida a 1,5 grados, pero no menos”. Estas cantidades convertidas a 249ppm y 21ppm de CaCO3, respectivamente. Este proceso es mejor para agua con moderada o alta alcalinidad. Las ecuaciones para el tratamiento con cal son diferentes a las del proceso de hervido. En el ablandamiento frio con cal (a temperatura ambiente), las reacciones son:
Ca(OH)2 + CO2 ↔ CaCO3 + H2O
Ca(OH)2 + Ca(HCO 3)2 ↔ 2CaCO3 + 2H2O
2Ca(OH)2 + Mg(HCO3)2 ↔ Mg(OH)2 + 2CaCO3 +2H2O
Los pasos comunes del ablandamiento con cal son: pre tratamiento con sedimentación sedimentación y/o aireación para mejorar la calidad del agua.
El apagado por la adición de oxido de calcio (cal viva) al agua para aumentar el pH a 10,3 siendo el optimo para la precipitación de carbonato. Si la reducción de la dureza de magnesio es necesaria de reducir, el pH se debe aumentar a 11 con cal viva adicional.
CaO + H2O → Ca(OH) 2
El mezclado, floculación y clarificación con coagulantes a base de hierro o aluminio, agregados para acelerar la sedimentación de los precipitados. Aluminato de sodio es preferible si el agua tiene alto contenido de sulfatos. El tiempo de contacto necesario es típicamente 15-30 minutos. Re carbonatación del agua con CO 2 o aireado para reducir particularmente el pH del agua (el agua clarificada tiene un pH típico de 10 a 11). Acido sulfúrico o hidrocloridrico es usado a menudo para reducir más el pH a un valor más normal de agua potable de alrededor de 8 y la alcalinidad en alrededor de 32ppm como c omo CaCO 3. Filtración con los filtros convencionales (arena) después del ablandado con cal para capturar cualquier sólido suspendido remanente. La tecnología de membranas se está volviendo más común para la filtración en esta etapa debido a su mejor eficiencia en remover microorganismos y sólidos suspendidos. El ablandado con cal puede ser mejorado por calentamiento del agua y en consecuencia reduciendo la solubilidad de cada uno de los productos de la reacción, alentando cada reacción a que sea más completa. Este método puede remover más alcalinidad que el simple hervido y puede lograr 25ppm como CaCO 3. Agua con elevado sodio, sulfato o cloro puede reducir la efectividad del proceso. La alta eficiencia del proceso requiere la dosis precisa de cal y el monitoreo cuidadoso. En los estados unidos, el ablandado con cal es usado a veces para el tratamiento del agua municipal pero no es típicamente usado en las cervecerías. El ablandado con cal a pequeña escala puede realizarse como se describe en el recuadro. Este proceso es considerado una tecnología de la vieja escuela y es más común encontrarlo en Europa. Métodos más modernos incluyen el intercambio iónico y tecnología de membranas. La ventaja del ablandado con cal sobre el intercambio iónico es que este método reduce sustancialmente los sólidos totales disueltos. Una desventaja del ablandado con cal es
el volumen de desecho solido relativamente elevado (sedimento mineral) generado por el proceso. La cantidad total del peso seco de los sólidos producidos es típicamente el doble de la dureza removida. EL precipitado de carbonato de calcio es un sedimento calizo fino pero el hidróxido de magnesio es un sedimento esponjoso que forma un gel fino en el tanque. Estos minerales son difíciles de eliminar por decantación.
El método de A. J. deLange para pa ra usar la descarbonatación con cal apagada en casa.
1- Agregar 1 tps de cal por cada 18,92 litros de agua a ser tratada. 2- Multiplicar la dureza temporal del agua por 0,74 para tener una idea de la cantidad de cal requerida requerida (en mg) para para tratar 1 litro. Después multiplicar multiplicar por el número de litros a ser tratados y dividir por 1000 para tener el número de gramos requeridos para el volumen total. 3- Aumentar el resultado del paso dos en un 20-30% y colocar esto en un recipiente pequeño. Agregar suficiente suficiente agua para que quede en suspensión. 4- Agregar el sedimento del paso 3 al agua inicialmente en grandes cantidad y después en cantidades pequeñas. Agitar fuertemente y chequear el pH después de cada adición. 5- Continuar con la adiciones rápidamente hasta que el pH este entre 9,5 y 10. 6- Monitorear el pH. A medida que se produce la precipitación el pH va a retroceder. 7- En este punto agregar solo pequeñas cantidades de sedimento adicional para mantener el pH en la región de 9,5-10. 8- pH continuara cayendo a medida que el CO 2 del aire se disuelve pero la tasa en que baja es lenta. Cuando esto ocurre, parar con las adiciones de cal y dejar reposar el agua hasta que el precipitado de asiente. 9-Separar el agua del precipitado y medir la dureza y alcalinidad.
Reducir la alcalinidad con acido.
Los ácidos pueden reducir la alcalinidad debido a que suministran iones de hidrogeno para convertir todos los carbonatos y bicarbonatos en la solución a acido carbónico y en consecuencia a dióxido de carbono. La reacción es la forma reversa de cómo se produce la alcalinidad, como se presento en el capítulo 4. Las reacciones son: H+1 + CO3 -2 → HCO3-1 H+1 + HCO3-1 → H2CO3
H2CO3 → CO2 + H2O
Notar que el gas debe es removido del agua para que la reacción sea completa. En la escala del cervecero casero donde los pequeños volúmenes de agua están en contacto con la atmosfera, la mayoría del CO 2 se va a escapar a medida que el agua se calienta y agita. En una escala mayor, con una menor relación superficie-volumen, el CO2 debe removido activamente por agitación, burbujeo con aire forzado o vapor o por espray, para prevenir la liberación posterior en las tuberías cerradas o tanques donde puede ser un problema serio de corrosión.
Tabla 11: Preparación de una solución 1 Normal de ácidos comunes.
Acido
w/w %
Densidad
Molaridad
Clorhídrico Clorhídrico Láctico Sulfúrico Sulfúrico Fosfórico Fosfórico
10 37 88 10 98 10 85
1.048 1.18 1.209 1.07 1.84 1.05 1.69
2.9 12.0 11.8 1.1 18.4 1.1 14.7
ml de acido para preparar 1l de solución 1N 348 83.5 84.7 458.3 27.2 935 68
* El fosfórico es aproximadamente monoprótico al pH de macerado.
Nota: Es importante entender que el procedimiento es diluir el volumen prescripto a un volumen total de un litro. Por ejemplo, 348ml de clorhídrico al 10%
debe ser medido en un recipiente y se le agrega agua hasta tener exactamente 1 litro. Los ácidos concentrados necesitan ser agregados a un gran volumen de agua que ya se encuentra en el recipiente antes de ponerlos en el volumen final de agua para evitar salpicaduras exotérmicas. Las adiciones de acido para reducir la alcalinidad son simples de calcular si uno trabaja con mili equivalentes. La alcalinidad total como CaCO 3 es fácil de convertir a mili equivalentes dividiendo por el peso equivalente de 50. Por ejemplo, si la alcalinidad total del agua es 125ppm como CaCO 3, es lo mismo que 2,5 mili equivalentes por litro. Agregando 1 mili equivalente de acido por litro va a reducir la alcalinidad total en 1,5 mili equivalentes por litro o 75ppm como CaCO 3. De todos modos, hay un par de preguntas para considerar, co nsiderar, específicamente: específicamente:
1- ¿Cuantos mililitros de ácido son 1 equivalente?
2- ¿Qué efecto en el sabor tiene el ácido?
La primer pregunta está totalmente contestada en el apéndice B y C, pero la respuesta corta es que la cantidad de ácido requerido depende del ácido especifico, su concentración y densidad. Ayuda tener preparado una solución 1N o 0,1N por lo que 1mililitro de la solución suministra 1mEq/l o 0,1mEq/l respectivamente. La tabla 11 enlista diluciones para crear soluciones 1N de los ácidos comunes. La respuesta a la segunda pregunta es que la reacción acida va a remplazar cada equivalente de alcalinidad con un equivalente del anión de ese ácido (cloruro, sulfato, lactato, acetato). El efecto en el sabor va a depender en la cantidad de acido usado. En el caso del acido clorhídrico o sulfúrico, es una manera de aumentar el cloruro o sulfato sin agregar calcio o magnesio. Elegir el ácido y la alcalinidad final es un asunto de la formulación de la receta y puede tomar algunos lotes lograrlo. El método presentado reduce la alcalinidad sin controlar el pH. El método presentado en el apéndice B es lo opuesto, donde el pH es reducido a un valor especifico y la alcalinidad final y cantidad de acido usado son determinados por el cambio del pH. Ambos métodos funcionan, es
solo una cuestión de preferencias: medir previamente el acido y verificar el pH o medir el pH y verificar la cantidad de acido usado.
Seguridad con los ácidos: palabras de precaución para los ácidos Fuertes (y bases).
Siempre agregar el acido al agua y NUNCA agregar el agua al acido. Suena tonto pero “agregar el acido al agua” pude ayudar a evitar las salpicaduras acidas. Esta
advertencia es mas importante cuando se maneja acido sulfúrico concentrado, no solo porque por su fuerza sino por su tremenda afinidad por el agua. Si el agua se vierte en acido sulfúrico concentrado, la reacción es tan violenta que el agua se transforma al instante en vapor, salpicando acido fuera del contenedor y al cervecero. Evitar el contacto de los ácidos concentrados (cualquiera) con la piel. Los ácidos diluidos varían en peligrosidad pero el acido sulfúrico es siempre peligroso, incluso al 10%. Desaconsejamos a cualquiera a manejar ácidos concentrados sin el adecuado entrenamiento. Les recordamos a todos que deben leer y seguir las recomendaciones para equipos de protección (guantes, anteojos, trajes, etc.) en la hoja de seguridad del producto. Finalmente, los ácidos y bases que uno usa para tratar el agua deben ser de grado alimenticio. Si bien el grado alimenticio no tiene una definición especifica, generalmente significa que la sustancia no contiene peligrosidad o impurezas toxicas y se reconoce como seguro o recomendable para el consumo humano de acuerdo con US Food and Drug Administration. Los ácidos existentes en las ferreterías o negocios de autopartes, por ejemplo, pueden tener cantidad peligrosas de metales pesados u otras impurezas. Se cuidadoso con lo que se s e compra.
Figura 23- Protonación del fosfórico como una función del pH de equilibrio. El número de protones liberados depende del punto final de pH de la reacción, sin embargo en la zona del macerado es generalmente 1. De deLange.
Ácidos minerales.
Acido clorhídrico (HCl)
El acido clorhídrico es un acido fuerte monoprótico que contribuye un equivalente por mol. Contribuye con 35,4mg/l de iones de cloruro por mEq de acido cuando se agrega al agua. Las reacciones se muestran a continuación: HCl + H2O ↔ H+1 + Cl-1 + H2O H+1 + Cl-1 + HCO3-1 ↔ H2CO3 + Cl-1
H2CO3 ↔ CO2 + H2O
Acido sulfúrico (H2SO4)
EL acido sulfúrico es un acido fuerte poliprótico que contribuye con dos equivalentes por mol. Contribuye con 48mg/l de sulfato por mEq de acido cuando se agrega al agua. Las reacciones son las siguientes: H2SO4 + H2O ↔ 2H +1 + SO4-2 + H2O 2H+1 + SO4-2 + 2HCO3-1 ↔ 2H2CO3 + SO4-2
H2CO3 ↔ CO2 + H2O
Acido fosfórico (H3PO4)
El acido fosfórico es técnicamente un acido débil poliprótico pero actúa en el macerado como un acido fuerte monoprótico que contribuye con alrededor de un equivalente por mol. El grado de protonación depende del pH final del agua al que se agrega, pero generalmente es de 1-1,3 equivalentes por mol en agua entre un pH de 4 a 7. Ver figura 23. Contribuye aproximadamente con 96ppm de H 2PO4 por mol de acido cuando se agrega al agua en ese rango. Solo un pequeño porcentaje (<0,2%) de las moléculas de acido fosfórico van a ser des-protonadas una segunda vez a HPO 4-2 si el
agua es acidificada al rango del macerado. Las reacciones primarias se muestran a continuación: H3PO4 + H2O ↔ H+1 + H2PO4- + H2O H+1 + H2PO4- + HCO3-1 ↔ H2CO3 + H2PO4-
H2CO3 ↔ CO2 + H2O
EL fosfórico es el acido elegido por muchos cerveceros caseros y cervecerías artesanales. Mientras que es peligroso a altas concentraciones, es más fácil de manipular que el acido sulfúrico porque es menos reactivo. Tiene un mínimo impacto en el sabor en el proceso de elaboración de cerveza porque la malta también contiene una gran cantidad de fosfatos. La acidificación del agua con acido fosfórico corre el riesgo de precipitar calcio del agua como apatita (Ca 10(PO4)6(OH)2), que hace al calcio no disponible para el posterior proceso de elaboración de cerveza. Del capítulo 4: 10Ca+2 + 12HCO3-1 + 6H2PO4- + 2H2O ↔Ca10(PO4)6(OH)2 + 12CO2 + 12H2O + 2H+1 Notar que el termino fosfato (H 2PO4-) es exactamente la misma fórmula que el acido fosfórico que ha dado un ion hidrogeno (es decir, des-protonación simple), que de hecho es la forma más común para el acido fosfórico en el agua para cerveza porque es un acido débil y no se des-protonó mas allá de 1 en el rango de pH del macerado. Irónicamente, la precipitación del calcio es más probable que ocurra cuando solo una pequeña cantidad de acido fosfórico es usada, acidificar a un pH de 6 por ejemplo, contra un pH pH de 5,5. La razón para esto esta mas explicada explicada en el el apéndice B, pero la respuesta corta es que tanto el fosfato de calcio y magnesio (y particularmente apatita) son menos saturadas a pH más bajo. Magnesio también va a reaccionar con el fosfato pero tiene el doble de la solubilidad de la apatita a pH 5,2, por lo que la mayoría permanece en la solución. La reacción se muestra a continuación:
2H3PO4 + 3Mg(HCO3)2 ↔ Mg3(PO4)2 + 6H2O +6CO2
Ácidos orgánicos.
Acido láctico (C3H6O3)
El acido láctico es una parte muy importante de algunos estilos de cerveza pero también puede ser usado para acidificar el agua. Las leyes alemanas de cerveza Reinheitsgebot y Biersteuergesetz permiten solo acido que se producen naturalmente para ser usados en el proceso de elaboración de cerveza. De hecho, es la razón por la que Kolbach desarrollo la ecuación de RA en primer lugar, como una forma de ilustrar a los colegas cerveceros que la alcalinidad puede ser fácilmente controlada y para alentarlos para hacer “lobby” para el permiso de usar ácidos minerales como el resto
del mundo lo hacía en ese tiempo. El acido láctico puede ser agregado de tres maneras: maltas acidas pueden ser usadas en el macerado, lactobacillus puede crecer en le macerado como parte de un resto acido o macerado “sour” o como acido láctico de grado alimenticio puede ser agregado directamente. El acido láctico es un acido fuerte monoprótico (pK=3,86) con respecto al pH del macerado, el cual contribuye un equivalente por mol en un pH de macerado y un pH de agua potable normales. Contribuye con 89mg/l de iones de lactato por mEq de acido cuando se agrega al agua. La reacción del acido láctico en agua para la des-alcalinización des-alcalinización se muestra debajo, excepto que la formula empírica del acido fue remplazada por la formula estructural para mayor claridad: CH3CH(OH)COOH ↔ CH 3CH(OH)COO - + H+1 CH3CH(OH)COO- + H+1 + HCO3-1 ↔ H2CO3 +CH3CH(OH)COOH 2CO3↔ CO2 + H2O
El sabor del acido láctico es típicamente caracterizado como una acides suave y es la firma del sabor de comidas como el yogurt, chucrut, etc. El acido láctico puede producir un sabor característico (“tang”) en el perfil de sabor de la cerveza en altas concentraciones. El acido láctico esta reportado de tener un sabor limite de 400ppm
en cerveza. El límite de sabor puede variar entre los paladares. De todas formas, el límite de 400ppm puede no ser el mismo para todos los individuos. Además, muchas cervezas típicamente tienen una baja concentración de acido láctico naturalmente (entre 50 y 300ppm) debido a subproductos de la fermentación. De todas formas, puede no ser posible agregar menos de 400ppm de acido láctico al agua para la reducción de la alcalinidad sin impactar en el sabor. Los cerveceros que usan el “descanso acido” están haciendo acido láctico
además para la reacción de apatita. Es generalmente aceptado que para amplios cambios de alcalinidad, el descanso debe ser lo más anaeróbico posible para reducir el crecimiento de Acetobacter .
Acido acético (C2H4O2)
El acido acético no es muy útil para el cervecero debido a su mal sabor. De hecho, es más común como contaminante debido a bacterias acido acéticas. De todos modos, también es un producto de la fermentación de Brettanomyces y puede ser deseable a baja concentración en algunos estilos de cerveza. EL acido acético es acido moderadamente monoprótico (un equivalente por mol, pK=4,76). Contribuye con 59mg/l de iones acetato por mEq de acido cuando se agrega al agua. La reacción del acido acético en agua para la des-alcalinización se muestra a continuación, excepto que la formula empírica del acido fue remplazada por la formula estructural para más claridad: CH3COOH ↔ CH 3COO- + H+1 CH3COO- + H+1 + HCO3-1 ↔ H2CO3 + CH3COOH2CO3↔ CO2 + H2O
La inoculación con Acetobacter y descansos aeróbicos después de la fermentación fermentación previenen la formación de acido acético. Una alternativa para desarrollar estos descansos es agregar acido acético glacial (concentrado) en dosis pequeñas apropiadas para darle los matices de ese carácter a la cerveza terminada. La dosis
medida de acido acético glacial puede ser más consistente de lote a lote que el cultivo de bacterias acéticas durante la fermentación de la cerveza.
Acido cítrico (C6H8O7)
El acido cítrico fue muy popular en los primeros días de la elaboración de cerveza casera. Su popularidad se ha pasado probablemente por el relativamente fuerte sabor del anión. El acido cítrico es un acido débil poliprótico (pero más fuerte que el fosfórico, acético y láctico, pK 3,14, 4,77, 6,39) que contribuye entre 2 y 3 equivalentes por mol. Contribuye con 96mg/l de iones citrato por mEq de acido que se agrega al agua. La formula empírica para el acido cítrico es C 6H8O7. La formula estructural es compleja por lo que la empírica es usada. Las reacciones de desalcalinización, asumiendo asumiendo 2 equivalentes por mol, son las siguientes: C6H8O7 ↔ C6H6O7-2 + 2H+1 C6H6O7-2 + 2H+1 + HCO3-1 ↔ H2CO3 + C6H6O7-2
H2CO3 ↔ CO2 + H2O
Tabla 12- Resumen de métodos para reducir la alcalinidad.
Método Dilución con agua
Eficiencia Muy buena
Seguridad Bajo riesgo
RO (DI)
Comentarios Muy efectiva. Problemas de corrosión potencial con el agua RO cruda, incluso en tuberías de inoxidable. PVC o CPVC es preferible
Hervido
Razonable
Bajo riesgo
Reduce tanto la dureza como la alcalinidad. alcalinidad. Altos costos energéticos y decantación necesaria antes de usar. Los depósitos pueden ser difíciles de limpiar. La eficiencia depende de la composición del agua.
Ablandamiento con cal
Bueno
Bajo riesgo
Efectivo en reducir la alcalinidad alcalinidad y dureza en agua con alta alcalinidad y dureza. Más eficiente si se realiza por terceros debido a los costos y la
economía de escala. Acido clorhídrico
Bueno
Peligroso
Agrega cloruro al agua. Sin efectos en la dureza
Acido sulfúrico
Bueno
Peligroso
Agrega sulfato al agua. Sin efectos en la dureza
Acido fosfórico
Bueno
Moderado
Agrega fosfatos al agua. Mínimo efecto en el sabor. Puede reducir calcio dependiendo del pH final.
Acido láctico
Bueno
Bajo riesgo
Agrega lactatos al agua. Puede afectar el sabor. Sin efectos en la dureza.
Acido acético
Razonable
Bajo riesgo
Agrega acetatos agua. Afecta el sabor. Sin efectos en la dureza.
Acido cítrico
Bueno
Bajo riesgo
Agrega citrato al agua. Afecta el sabor. Sin efectos en la dureza.
Estos ácidos pueden agregar una percepción a frutal o a ester en la cerveza que puede beneficiar ciertos estos, como Belgian Wit. El acido cítrico esta reportado de tener un sabor por encima de 150ppm en cerveza. Este límite puede variar entre paladares y por lo tanto, el límite de 150ppm no aplica para todos los individuos. Las cervezas típicas pueden tener naturalmente una baja concentración de acido cítrico (50-250ppm) de subproductos de la fermentación y esto puede restringir el uso de este acido en el tratamiento del agua para elaborar cerveza.
Acidificación del agua de macerado y lavado.
Varios cerveceros acidifican su agua de lavado y/o macerado. Al principio del lavado, el pH de macerado debe estar en el rango y las condiciones de buffer en el macerado deben estar a plena capacidad. A medida que el agua de lavado lava la cama, los azucares y buffer son lavados fuera y el pH cambia hacia el pH del agua de lavado. Si el agua de lavado es alcalina, el pH del macerado va a aumentar y la extracción de taninos, silicatos y cenizas de la cascara de la malta es más propensa a medida que el pH se aproxima a 5,8. Estos compuestos pueden arruinar el gusto de una cerveza que de lo contrario estaría bien realizada. La solución fácil es parar el lavado cuando el pH llegue a 5,8 o cuando la densidad caiga por debajo de 1,008 y llenar la olla de hervido solo con licor caliente. Esto causara solo una baja en la
eficiencia previniendo malos sabores en la cerveza. Sin embargo, “más vale prevenir que curar”, como dicen. La mejor solución es acidificar el agua de lavado a un pH que
se encuentre dentro del rango del pH de macerado, el cual va a prevenir que el pH del macerado aumente arriba de 5,8, sin embargo, como se discute en el capítulo 5, el DI pH de las maltas base puede hacer que suba. El aumento a umento en el pH de macerado al final de lavado es más común en estilos de baja densidad donde el sistema buffer en el macerado es más débil y/o mas diluido. También puede ocurrir en estilos oscuros de baja densidad donde la concentración de melanoidinas (un buffer) es de hecho baja a pesar del alto color del mosto.
Tabla 13- Experimentos con niveles de calcio (Sierra Nevada Brewing Co., 2010).
Descripción especial
Cerveza estándar/agua estándar/agua
Sales estándar/ agua
2X CaCl2 en el
acidificada
no acidificada
macerado/agua no acidificada
pH del licor
5.7
7.8
7.8
pH de macerado
5.30
5.49
5.38
pH primer paso del
5.24
5.36
5.27
5.56
5.91
5.83
17.8
17.5
17.7
1.30
1.25
1.30
77
78
78
pH del mosto final
5.17
5.37
5.31
Densidad final de
13.3
13.3
13.4
pH final de la cerveza
4.37
4.37
4.41
Densidad final
3.00
2.75
2.78
filtrado pH último paso del filtrado Densidad en el primer paso Densidad en el último paso Tiempo de lavado (minutos)
mosto
Unidades Unidad es de Amargor
38
38
40
Color
11
12
13
*las unidad de densidad están el ºPlato.
Jim Mellem de Sierra Nevada Brewing Co. presento esta información (tabla 13) en la reunión de MBAA South & Southeast Technical meeting en 2010. En la presentación “calidad del agua desde la perspectiva del cervecero artesanal”, el
mostró resultados de experimentos que el realizó para comparar sus procedimientos estándar de acidificación con acido fosfórico de toda el agua para elaborar cerveza, con el doble de la cantidad de las sales de calcio normalmente agregadas en el macerado y hervido, apropiadas para una receta de cerveza. Las cervezas pale ale fueron elaboradas en un sistema de barril de volumen 10, cada condición se elaboró dos veces para llenar fermentadores de volumen v olumen 20. Para resumir los descubrimientos, descubrimientos, el pH de macerado de las tres condiciones condiciones se encontraba encontraba entre parámetros aceptables, como lo fue el rendimiento de extracción y los parámetros generales de las cervezas. La diferencia más significativa entre los tratamientos fue el pH final del filtrado, el cual fue de 5,91 para las sales estándar sin acidificación y de 5,83 para el nivel doble de calcio sin acidificación. El pH para la condición estándar (el licor se acidifico hasta 5,7 por inyección en línea) solo se acerco a 5,56 al final del lavado. En una “prueba de triangulo”, 38 panelistas entrenados determinaron que había una diferencia
estadísticamente significativa en el gusto entre las tres condiciones ( α =0,05) con respecto a la astringencia, aspereza y aceptabilidad y que la elaboración estándar era superior en estos atributos. La causa de estas diferencias entre las cervezas puede ser que sea la más alta solubilidad de los taninos, silicatos y cenizas debido al pH más alto al final del filtrado, comparadas con la elaboración estándar, sin embargo, un pH más alto del mosto durante el hervido va extraer una amargor más áspero del lúpulo. Otro ejemplo de este efecto es la cerveza de trigo elaborada por C. Kaminski en Downtown Joe’s Pub en Napa, CA. La cerveza de trigo ( Lazy Summer American Wheat) es un
producto estándar con 40% de malta de trigo, una densidad inicial de 1,040 y 10 IBU. Ha sido elaborada con varios perfiles diferentes de agua los 500 lotes pasados (la fuente de agua cambia mensualmente en Napa debido a la estacionalidad y a las múltiples fuentes de agua. Medidas constantes y ajustes son requeridos para mantener la igualdad de la cerveza).
Perfil original del agua para la cerveza de trigo (ppm) 139 Ca 41 Cl252 SO4-2 10 HCO3
El primer perfil de agua (arriba) resulto en un pH de h ervido “normal”, de acuerdo al registro. Como se puede ver los niveles de calcio son muy altos y si bien la cerveza era aceptable, los comentarios recibidos fueron que era ligera, refrescante pero mineral. Una unidad de deionización (DI) se instalo para bajar la alcalinidad y una nueva búsqueda del agua correcta comenzó. El perfil del agua DI con adiciones de yeso y cloruro de calcio evolucionó a través de muchos lotes a: 74 Ca 21 Cl157 SO4-2 5,24 pH del hervido
Después de una discusión de los efectos de muy bajos niveles de sulfato en cerveza ligeras con A. J. deLange, quien decidió sacar completamente el sulfato para hacer sus ale más parecidas a las lager. En su primer intento uso 100 gramos de cloruro de calcio y 10ml de acido fosfórico al 85% para acidificar 1135 de licor caliente. Este agua tenia 24ppm de Ca y 42pp de Cl -.El pH al final aumenta como se puede ver en la figura 24. El lavado se frenó en este punto. El pH de hervido para este lote fue de 5,47. La cerveza terminada pareció tener características de una fermentación normal y una densidad final típica, pero tenía una sequedad, aspereza y sensación de cenizas en el retrogusto distintivas. El calcio se incremento en el siguiente lote a 35ppm, 64ppm de CL- con la misma cantidad de acido sulfúrico que la vez anterior y el pH no aumento al final del lavado. La cerveza final no tenía la sensación de cenizas en el retrogusto.
pH del mosto y densidad contra tiempo de filtrado.
Figura 24: pH del mosto y densidad contra tiempo de filtrado. Este diagrama muestra el aumento abrupto en el pH del macerado al final del filtrado cuando la densidad caer por debajo de 1,012 (3ºPlato). Aumentado el contenido de calcio del agua en el siguiente lote se evito el aumento a la misma densidad.
Precipitación del calcio debido al acido fosfórico.
La acidificación del agua para elaborar cerveza es uno de los aspectos más complicados de la química del agua. Un problema a considerar cuando se acidifica agua con acido fosfórico es la precipitación del fosfato de calcio, la cual cambian el equilibrio de la alcalinidad residual. ¿Cuánto cambia la acidificación con acido fosfórico el nivel de calcio en el agua? Varios equilibrios son afectados por el cambio en el pH. A. J. deLange aborda la teoría química y la matemática dura para determinar el efecto de la acidificación en el calcio especialmente para este proyecto. El resultado es una serie de gráficos, presentado en el apéndice B, que describen la reducción en la alcalinidad como una función de punto final de pH de la acidificación y el nivel de saturación de calcio como una función de la acidificación. Los gráficos muestran que la acidificación al rango típico de pH de macerado en ves que a un pH más alto como 6,5 o 7,0 es mejor para la retención del calcio en el agua. Varios ejemplos son presentados para ilustrar el uso de los gráficos. Estos gráficos solo notan la acidificación del agua, no la acidificación del macerado. Sin embargo, los gráficos son una herramienta excelente para entender el terreno si se planea acidificar el agua para elaborar cerveza.
Agregando alcalinidad.
Si bien la mayoría de los cerveceros están usualmente tratando de reducir la alcalinidad de su agua, hay momentos donde un cervecero necesita aumentar el pH en el macerado para poder macerar un grano molido más oscuro y acido. De todos modos, debe ser entendido que nunca vamos a agregar alcalinidad al agua de lavado. La alcalinidad del agua de lavado siempre necesita de ser lo menor posible para
minimizar o prevenir el aumento de pH en la cama de granos durante el filtrado. Hay diferentes formas de agregar alcalinidad al macerado: una es agregar carbonato o bicarbonato y la otra es agregar hidróxido. Hay una gran diferencia entre agregar alcalinidad al gua o al macerado, de todos modos. Como mostramos en el capítulo 5, predecir el pH del macerado requiere el cálculo de los moles totales de carbonatos ca rbonatos (CT) y después la alcalinidad Z es necesario determinarla de la figura 22, basados en el pH objetivo del macerado. Este método Z es un aproximación de primer orden de lo que realmente ocurre en el macerado. La química actual es más compleja y depende de la interacción de varios componentes; especies de carbonato, especies de fosfato, el pH y todas las constantes químicas que van con ellos, como ser pK1. Sin embargo, podemos comenzar la discusión viendo el caso más simple: la adición de bicarbonato de sodio al agua.
Agregando bicarbonato de sodio.
El bicarbonato de sodio (polvo para hornear) es muy soluble en agua y tiene su límite de saturación en alrededor de 9% por peso a 25ºC. De todas formas puede ser agregado fácilmente al agua o al macerado para aumentar la alcalinidad. Sin embrago, el sistema carbonato es una base débil, y por lo tanto su carga (mEq/mmol) cambia dependiendo del rango de pH en el cual se encuentra. Esto se explico ene le capitulo 5. Si estamos agregando bicarbonato al agua para aumentar la alcalinidad total como CaCO3 y por lo tanto la alcalinidad residual de Kolbach, el único ajuste a la contribución de la sal por gramo (como se calcula en el apéndice c) es una mínima reducción debido a la definición de alcalinidad total. Como hemos dicho anteriormente, la alcalinidad total es la cantidad de acido en mEq que es requerido para reducir el pH del agua a 4,3 mediante la conversión de carbonatos y bicarbonatos a acido carbónico. De todos modos, al pH 4,3, hay todavía una carga de 0,01 de carbonatos, es decir, no ha si reducidos a 0 pero si al 1%. Para ser más precisos, necesitamos ajustar la adición de bicarbonato para este 1% también. La forma en que esto trabaja es que la carga de cualquier adición de bicarbonato arranca en 1mEq/mmol, independientemente del pH del agua, porque el
bicarbonato puro tiene 1 mEq/mmol. Si 1 gramo de bicarbonato de sodio (mw=84 gramos) es disuelto en un litro de agua, es igual a 0,0119 moles por litro (o 11,9mmoles por litro). A una carga de 1mEq/mmol, 11,0mml/l es igual a 11,9mEq/l de alcalinidad total, medida por titulación hasta el pH final de 4,3. Sin embargo, acá es cuando el 1% remanente entra en juego. Por lo tanto, la adición de 1 gramo de bicarbonato de sodio por litro solo rinde 99% de sus 11,9mEq/l a la alcalinidad total y las ppm de HCO3- necesitan ser ajustadas en consecuencia. Ver tabla 14. Lo anterior es para calcular el efecto de las adiciones tanto en la alcalinidad total como la alcalinidad residual, pero sin tener en cuenta el eventual pH de macerado. No importa cuando son hechas las adiciones al agua o el macerado si solo son considerados estos parámetros de la alcalinidad. Por el otro lado, si estas agregando bicarbonato de sodio con la intención de mover el pH a un punto particular (Z pH) de acuerdo con el modelo presentado en el capítulo 5, ahora sabes cómo calcular la alcalinidad Z de la adición. Siempre que especies de carbonato son agregadas al macerado con el propósito de ajustar el pH del macerado, la carga delta ( Δc) debe ser calculada usando la figura 22 del capítulo 5, repetida en la figura 25 por conveniencia. Sin embargo, el cálculo de Δc es simplificado por el hecho de que el punto de arranque es -1,0 (o -2,0 en el caso del carbonato). Por lo tanto el respetivo Δc para una adición de bicarbonato o carbonato con un pH Z de 5,4 va a ser:
0.1 - 1.0 = +0.9 mEq/mmol (bicarbonato) 0.2 0.3 -0.1 - -2.0 = +1.9 mEq/mmol (carbonato, ver nota más abajo)
La alcalinidad Z es igual al cambio neto de la carga ( ΔcZ), multiplicado por el numero de mili moles de carbonatos totales (CT), es decir, alcalinidad Z= 0,9CT (para la adición de bicarbonato). Notar que la reducción del 1% no aplica acá debido a que no estamos trabajando con “ alcalinidad total”, estamos trabajando con la alcalinidad
actual en el pH objetivo, ΔcZ es el nuevo factor de reducción. Ver el final de capitulo 7, la elaboración de una Foreign Extra stout, para pa ra un ejemplo.
Nota: conste en acta, una adición de yeso disuelto (es decir, carbonato) al agua, es decir, completamente disuelta por burbujeado con CO 2 o suficiente sobre presión de CO2, va a comenzar a 2 mQe/mmol y ΔcZ va seguir calculándose con los valores de la figura 25, por ejemplo, -0,1 -0,1 a pH 5,4. 5,4. Si otro acido que no no sea CO2 es usado para disolver el yeso, como acido clorhídrico, la mitad de la carga alcalina va a ser usada para convertir todo el carbonato en bicarbonato, porque el bicarbonato es la forma más soluble y la situación previamente descripta para el bicarbonato aplica. Yeso sin disolver es un desastre, como se verá v erá en la siguiente sección.
Un experimento realizado por deLange usando bicarbonato de sodio y una malta caramelo 80ºL para verificar el modelo Z demostró que los resultados eran consistentes con la teoría, pero también demostraron el factor tiempo inherente a las reacciones de carbonato. La muestra de malta caramelo 80ºL tuvo un DI pH de macerado previamente determinado de 4,77 y la adición de bicarbonato de sodio fue calculada para llevar el pH del macerado a 5,4, usando el concepto de alcalinidad Z. El pH fue constantemente monitoreado durante el experimento. El pH empezó muy cerca del DI pH de macerado, pero aumentó precipitadamente cuando la adición de bicarbonato fue hecha al macerado. Al T=25 minutos, el pH del macerado bajo a 5,56, al t=60 el pH del macerado era de 5,51 y al T=135 el pH del macerado cayó a 5,37, encontrándose todos razonablemente cerca de 5,4. Se debe notar que basar la adición de bicarbonato de sodio con respecto a la alcalinidad total va resultar en una adición menor que eventualmente no va a alcanzar para lograr el rango de pH objetivo. Dadas la cinética de las reacciones, deberías desear reducir la adición en relación a la alcalinidad Z, en orden de pasar la mayor parte del tiempo de macerado en el rango optimo de pH de macerado. Balancear todos estos factores para una receta específica en una cervecería específica requiere experimentación, pero al menos los cálculos discutidos acá va a ayudar a clarificar lo que esta ocurriendo. El único otro problema con el uso de bicarbonato de sodio es el aumento en el nivel de sodio que acompaña, alrededor de 72ppm a un gramo cada 3,78 litros. Como se verá en el capítulo 7, los niveles de sodio por arriba de 100ppm son generalmente no recomendados, especialmente si los niveles de sulfato son de 300ppm o mayores, tendiendo a dar un gusto metálico al amargor.
Cambio (mEq) por mmol de especies de carbonato. ca rbonato.
Figura 25- Cambio en la carga por mol. La curva muestra el número de mEq/mmol como una función del pH del agua. Para calcular c Δ cuando se agregan carbonatos al
agua de macerado, la carga inicial es -1,0 mEq/mmol de bicarbonatos, y -2,0 para carbonatos (tiza).Por lo tanto Δc para una adición de tiza disuelta por CO2 con un pH objetivo de 5,4 va a ser: -2,0- -0,1=1.9 mEq/mmol. La alcalinidad Z es igual al cambio neto de carga Dc, multiplicado por el número de mili moles de carbonatos totales (CT). Este grafico no aplica para hidróxidos, solo adiciones de base carbonato.
Los problemas de agregar tiza.
En la naturaleza, la creación de un agua subterránea alcalina perfecta para una cerveza oscura lleva tiempo, piedra caliza y presión parcial de dióxido de carbono alta. No es fácil recrearla en la cervecería debido a que las nuevas soluciones creadas no son tan estables como lo son con el agua natural, el carbonato parece tener una tendencia más alta a precipitar fuera de la solución. Como mencionamos antes en el capítulo 4, el nivel normal de saturación para el carbonato de calcio en el agua es muy bajo, siendo solo de 1mEq/l o 0,05 gramos por litro a la presión parcial atmosférica típica del CO 2. ¡Esto equivale a 2 gramos en 37,85 litros! Mas carbonato de calcio puede ser disuelto si CO2 es burbujeado en el agua con constante agitación o se suministra en un contenedor bajo presión, pero el proceso no es muy conveniente o rápido. El conocimiento convencional ha sido el de agregar tiza al macerado debido a que el pH más bajo va a disolver la tiza más rápidamente. Sin embargo, evidencia de anécdotas hay mostrado que las adiciones de tiza no son muy efectivas para agregar alcalinidad y aumentar el pH. Por ejemplo, ejemplo, Troester compare el efecto de las las adiciones de tiza en el pH del macerado usando tiza disuelta en agua de-ionizada con sobre presión de CO 2 contra tiza que no estaba disuelta y esencialmente solo suspendida en el agua. La misma cantidad de tiza fue usada en las dos soluciones y la titulación de la alcalinidad fue casi la misma debido a los ácidos fuertes usados para la titulación. Como la
información no es concluyente, se sugiere que la tiza totalmente disuelta tiene un mayor efecto en aumentar el pH del macerado, pero el cambio total to tal no fue consistente con la cantidad de alcalinidad agregada. La solución de tiza sin disolver solo aumento el pH del macerado en alrededor de 0,1-0,2 unidades, incluso cuando altas concentraciones de tiza fueron provista. Esto sugiere que los ácidos naturales en el macerado no son lo suficientemente fuerte para disolver la tiza suspendida, al menos en el periodo de tiempo en que el pH del macerado fue observado (25 minutos). Un experimento subsiguiente por A. J. deLange, puso algo de luz en la estequiometria y una posible razón para el pobre redimiendo de las adiciones de tiza. El macerado contiene una relativa alta concentración de fosfatos de la malta (1% por peso), aproximadamente 30 veces más grande que una concentración típica de calcio en el macerado (100ppm). El experimento consistió en agregar cantidades conocidas de lodo de carbonato de calcio (es decir, suspendido, no disuelto) a una solución de fosfato monobásico (KH 2PO4) comparable en concentración a la concentración de fosfato dibásico (HPO4-2) típico del macerado y monitorear el cambio en el pH a lo largo del tiempo luego de cada adición de tiza. La tasa de cambio del pH se corresponde con la tasa en la que la tiza absorbe los protones (acido). Los resultados muestran que el pH de la solución aumenta lentamente a medida que la tiza es agregada, típicamente 15-30 minutos para un cambio en pH de 0,1 en el rango de pH 4,6-5,5 y 30-60 minutos para el mismo cambio en el rango de 5,5-6. Esto sugiere que puede llegar a tomar 3 horas para aumentar el pH de 4,9 a 5,4. Además, la tiza parece ser 1/3 de efectiva de lo que debería ser en aumentar el pH de la solución. En otras palabras, el cambio en el pH fue de alrededor de 1/3 del resultado esperado pasado en la cantidad de la adición. Al final de experimento, había un precipitado en el recipiente que lucia diferente de la tiza. El precipitado era esponjoso y tendía a flocular, cuando la tiza sin disolver es un polvo fino cristalino y si precipita toma un largo tiempo para asentarse. Esa suspensión fue centrifugada de la solución y no hizo efervescencia cuando se trato con acido fuerte, como debería pasar si tendría cantidades apreciables de carbonato de calcio, pero se disolvió. La solución fue después tratada con una base fuerte para aumentar el pH a 14. Un precipitado fino cristalino resulto. Esta conversión de vuelta a
la apariencia original confirma que el carbonato de calcio se había convertido en apatita luego de la adición a la solución de fosfato.
Una discusión más profunda del comportamiento del carbonato en el macerado.
La ecuación química que puede explicar estas observaciones es similar a la ecuación de la apatita del capítulo 4. Si S i bien la reacción de la apatita tomo los l os iones de calcio, bicarbonato y fosfato existentes para producir apatita, dióxido de carbono, agua y dos iones libres de hidrogeno, la reacción de calcio produce apatita, dióxido de carbono, agua y 6 iones de bicarbonato. 10Ca+2 + 12HCO3-1 + 6H2PO4-1 + 2H2O →Ca10(PO4)6(OH)2 + 12CO2 + 12H2O + 2H+1 (capitulo 4) 10CaCO3 + 6H2PO4- + 2H2O → Ca10(PO4)6(OH)2 +10HCO3-1 + 4H+1 (teórica) 10HCO3-1 + 4H+1 → 4H2CO3 + 6HCO3-1 4H2CO3 + 6HCO3-1 → 4H2O + 4CO2 + 6HCO3-1
Los 10 iones de bicarbonato y los 4 de hidrogeno reaccionan para formar 4 moléculas de acido carbónico y 4 de bicarbonato, y las 4 moléculas de acido carbónico se rompen en dióxido de carbono y agua de acuerdo a la constante pK H. La teoría de deLange es que una adición de tiza suspendida al macerado (es decir, en el pH típico de macerado) tiene el efecto neto de 0,3 equivalentes de alcalinidad para cada equivalente de la adición inicial. Notar que 10 moles de carbonato de calcio igualan 20 equivalentes de de carbonato de calcio porque tiene dos equivalentes equivalentes por mol. La distribución de las especies de carbonato depende del pH como se mostro en la figura 13 del capítulo 4. Las especies de fosfato de la malta (H 3PO4, H2PO4-1 y HPO4-2) se comportan de manera similar, con el resultado que el numero de protones actualmente liberados por la reacción de la apatita depende de las proporciones
relativas y por lo tanto, del pH. La relación entre el pH y los protones liberados se muestra en la figura 26. En el rango de pH de 4 a 6, la curva muestra que un promedio de 14 protones son liberados por los fosfatos por mol de apatita precipitado. En otras palabras, yendo de vuelta a la ecuación de arriba, 10milimoles (20mEq) de tiza reacciona para producir 1 mili mol de apatita más un promedio de 14 protones, es decir, 20mEq de alcalinidad reacciona para liberar 14mEq de acides, neutralizando 14mEq de los 20mEq de la adición, dejando solo 6mEq de alcalinidad parar afectar el pH del macerado. Esto es 30% de la adición anticipada y esto es debido exclusivamente al componente calcio de la adicción reaccionando con los fosfatos de la malta. Una adición de carbonato de sodio (Na 2CO3) puede no experimentar estar reducción, no por el bicarbonato de sodio.
Número de protones liberados contra pH.
Figura 26- Este grafico muestras el promedio de protones (o mEq de acides) que son liberados como resultado de la reacción de apatita entre el calcio y los fosfatos de la malta en función del pH. Notar que el número promedio en el rango general del pH de macerado (4-6) es de 14mEq/mmol. De deLange
Eficacia de la cal contra la tiza para aumentar el pH de macerado.
Figura 27- Esta figura muestra la efectividad relativa del carbonato de calcio y del hidróxido de calcio para absorber protones en un macerado simulado (es decir, aumentar la alcalinidad), basado en la precipitación estequiometrica de la apatita. Notar que el valor tanto para el carbonato de calcio y el hidróxido de calcio es de alrededor el 30% de los mEq de la adición en la región de pH 4-6, pero que la efectividad del hidróxido aumenta a pH mayores, pero no así el carbonato. De deLange.
Esto significa que un gramo de carbonato de calcio agregado a un litro de agua en el macerado va a contribuir con 20mEq/l de calcio y 20mEq/l de carbonato, pero el efecto neto es de cerca de 6mEq/l de alcalinidad por ese gramo adicionado (es decir, 6mEq/l de iones de hidrogeno o acides neutralizados). Los 6mEq/L de alcalinidad
pueden ser agregados a la alcalinidad CT en le macerado. Para el propósito del cálculo del efecto del calcio agregado de la adición de tiza en CT RA, el calcio se va (precipita como apatita) entonces solo la alcalinidad neta es agregada. En posteriores experimentos deLange encontró que duplicando la adición que llevaba a la hipótesis del 30% no tenía ningún efecto adicional y que una tercer adición varias horas después resultaba en un decrecimiento del pH del macerado. Los resultados experimentales son validos pero inexplicables. deLange advierte que “la teoría del 30%” es relativamente un nuevo descubrimiento y debe ser usado con discreción por si acaso. Mientras que la discusión anterior es consistente con las observaciones de deLange y otros cerveceros que tienen experiencia en falta de respuesta con las adiciones de tiza, puede haber factores adicionales u otras explicaciones explicaciones que son iguales o más validas. Por lo tanto las adiciones de tiza no son recomendadas para aumentar el pH del macerado (Reacciona (Reacciona lentamente y es la menos efectiva ef ectiva de las opciones).
Agregar hidróxido de calcio (cal apagada).
El hidróxido de calcio puede ser agregado tanto al agua como al macerado. Si se agrega al agua, la adición puede ser calculada como el cambio en la alcalinidad residual de Kolbach porque agrega tanto calcio como alcalinidad, mEq/l. Para una adición de 1 gramo por litro de Ca(OH) 2 (27mEq/l) se calcula como :
ΔRA = 27 - 27/3.5 = 19.3 mEq/L or 965 ppm as CaCO3
Esta cantidad es consistente con las observaciones de M. Brungard. Los números para 1 gramo cada 3,78 litros son 7,13mEq/3,78litros como alcalinidad total y ΔRA = 5.1 mEq/3,78 litros o 255ppm como CaCO 3.
Si la adición de calcio es hecha en el macerado para ajustar el pH de macerado, entones la adición necesita incorporar el concepto de alcalinidad Z como se hizo en el caso de las adiciones de bicarbonato de sodio más arriba. Los moles de carbonatos totales (CT) en el macerado van a tener que ser calculados basados tanto en el pH del
agua como el pH objetivo del macerado (Z pH). La ΔRA para el hidróxido de calcio (19,3mEq/l) como se calcularon más arriba deben ser agregados a la alcalinidad Z del agua en el macerado. Notar que no hay ajuste de Z para el hidróxido, es una base fuerte y siempre contribuye con 1mEq/mmol, lo mismo que hace ha ce un acido fuerte. Además, el calcio de la adición de hidróxido de calcio al macerado puede experimentar la misma velocidad que el carbonato de calcio, cuando es agregado al macerado. La ecuación de Kolbach para la alcalinidad residual incorpora factores para las reacciones reacciones de calcio y magnesio magnesio pero la cantidad cantidad de la reducción en la alcalinidad alcalinidad por Kolbach (28,5% de reducción) no es consistente con la estequiometria de la ecuación de la apatita. La ecuación teórica de la apática a pática para el hidróxido de calcio es: 10Ca(OH)2 + 6H2PO4- → Ca10(PO4)6(OH)2 +12H2O + 6OH-1
Los productos de la reacción son agua e hidróxido en vez de bicarbonato, pero la reacción neta es la misma: 20 equivalentes de alcalinidad del hidróxido inicial se vuelven 6 equivalentes debido a la precipitación de apatita, es decir, una reducción del 70% en la alcalinidad contribuida. Debemos notar que la ecuación es una simple ecuación de varias que deben estar ocurriendo dependiendo de las concentraciones y formas de los fosfatos presentes en el macerado. Una serie de experimentos fueron realizados por deLange con hidróxido de calcio (cal apagada) y usando el mismo procedimiento que para los carbonatos. Nuevamente, malta caramelo caramelo 80ºL se molió y macero con agua destilada y el pH DI del de l macerado fue verificado. Hidróxido de calcio fue agregado y el cambio en el pH de macerado fue registrado a lo largo del tiempo. La tasa de cambio en el pH fue más rápida, las adiciones de hidróxido solo tomaron 4 minutos para hacer un cambio en el pH de 0,1para estabilizarse en el rango de 4,6-5,5, donde las reacciones fueron más rápidas. A un pH más alto de solución (5,5-6,0), la tasa de cambio del pH también fue lenta para las adiciones de hidróxido, pero no del orden de magnitud de los carbonatos. De todos modos, hay varias preguntas sobre la pureza del hidróxido de calcio usado en los experimentos. Estos experimentos muestran que la cinéticas de reacción son mejores, pero no da una buena indicación del número de mEq efectivos de las adiciones.
La cuestión de cuanta reducción esperar fue resuelta mediante la toma de una solución de hidróxido de calcio de alta pureza de 116mEq (calculados) y agregándola a un macerado de malta caramelo 80ºL. Usando la curva de titulación de 30 minutos para esta malta como se muestra en el capítulo 5, 116mEq deben cambiar el pH DI de esta malta a alrededor de 6,4 a 48ºC. El resultado a T=30 para la adición fue un pH de 5,87, el cual se corresponde en esa curva con la adición de algo así como 83,5mEq o el 72% de la adición total. Notar que esto es muy cercano a la predicción de Kolbach. A T=120 minutos, el pH cayó a 5,78 o algo así como el 66% de la adición total, pero este periodo de tiempo y resultado están fuera de los parámetros de la respuesta de la curva de titulación para la malta. Los resultados sugieren que la ecuación de Kolbach es válida para adiciones de hidróxido de calcio, al menos para los típicos tiempos de macerado de una hora. A medida que el tiempo de macerado se prolonga, mas reacciones del tipo de la apatita ocurren que van a empujar el pH del macerado hacia abajo a la estequiometria neta del 30% de la adición.
Agregar hidróxido de sodio o potasio.
La adición de hidróxido de sodio o potasio al macerado o al agua no causa la reacción de apatita, por lo que el efecto en el pH del macerado es más directo. Como vamos a discutir en el capítulo 7, los niveles de sodio por arriba de 100ppm no son recomendados generalmente, aunque la gente probablemente tenga diferente tolerancia al sodio en la cerveza, similar a la tolerancia de sal en la comida. Algunas referencias, como las de Taylor, nos dicen que el límite del mal sabor del sodio es del orden de 250ppm. Otros cerveceos, como uno de los autores, C Kaminski, recomienda no más de 50ppm como guía. El contenido de potasio de la cerveza es comúnmente de 40mg/100gramos o 400ppm, y Taylor indica que el contenido de potasio de una cerveza 10ºP hecha con agua de-ionizada es de 355ppm. El contenido de potasio del jugo de naranja, en comparación, es de 1800ppm. Una concentración concentración de 1800ppm de de potasio en la cerveza no seria palatable, pero agregar cantidades significativas (200ppm K +1) de
hidróxido de potasio o cloruro de potasio al agua o la cerveza probablemente no sea notado. Un gramo por litro de hidróxido de sodio agrega 25 mEq/l de alcalinidad y 575 de sodio. Un gramo por litro de hidróxido de potasio agrega 17,8mEq/l de alcalinidad y 697ppm de potasio. Para realizar una solución 1 Normal: Disolver 40 gramos de hidróxido de sodio en agua suficiente para hacer un litro de solución. Disolver 56 gramos de hidróxido de potasio en suficiente agua para hacer un litro de solución.
Nota: Tanto el hidróxido de sodio como de potasio son fuertes cáusticos y no deben entrar en contacto con la piel, incluso en su forma seca. Usar apropiadas protecciones protecciones corporales y consultar al MSDS antes.
Tabla 14- Resumen de métodos para aumentar la alcalinidad.
Metodo Bicarbonato
Comentarios de
sodio sodio (puede
ser
agregado al agua o al macerado).
Para ajustar la alcalinidad total del agua: 1 g/l =273,7ppm Na+1, 710,5ppm HCO3., 11,8mEq/l de alcalinidad.
Eficacia: buena Eficacia: buena
Para ajustar el macerado hasta pH Z:
Seguridad: Seguridad: bajo peligro
1g/l = 273,7ppm Na+1, 11,9mEq/l de alcalinidad Ver el texto para las adiciones al macerado y la alcalinidad Z
Tiza (puede ser disuelta en agua con
Las adiciones de tiza en polvo no son recomendadas. Los
sobrepresión de CO2 o acido).
resultados
son
impredecibles
pero
generalmente
inefectivos para aumentar la alcalinidad y el pH de Eficacia: baja Eficacia: baja
macerado.
Seguridad: Seguridad: bajo peligro
Si se disuelve en agua antes de la adición, se comportara como bicarbonato de sodio. Ver el texto para la explicación completa.
Cal apagada apagada (puede ser agregada al agua
1g/l = 540,9ppm de Ca+2, 258,8ppm OH-, 27mEq/l de
o el macerado).
alcalinidad
Eficacia: buena Eficacia: buena Seguridad: Seguridad: moderado peligro
DA= 19,3 mEq/l La tasa de reacción es aceptable: pH de 4,9 a 5,4 en 15-20
minutos. Hidróxido de sodio sodio (puede ser agregado
1g/l = 575ppm de Na+1, 425ppm de OH-, 25mEq/l de
al agua o el macerado).
alcalinidad. Disolver 40 gramos en suficiente agua para hacer un litro
Eficacia: buena Eficacia: buena
de solución 1N.
Seguridad: Seguridad: peligroso Hidróxido
de
potasio potasio (puede
ser
agregado al agua o el macerado).
1g/l = 697ppm de K+1, 103ppm OH-, 17,8mEq/l de alcalinidad. Disolver 56gramos en suficiente agua para hacer un litro
Eficacia: buena Eficacia: buena
de una solución 1N.
Seguridad: Seguridad: peligroso
Referencias.
1.
Brungard,
M.,
Water
Knowledge,
https://sites.google.com/site/
brunwater/waterknowledge, brunwater/waterknowledge, 2013.
2. Latham, B., Softening of Water, Journal of the Society of Arts, Vol. 32, London, 1884. 3. Handbook of Brewing, 2nd Ed., Priest and Stewart, Chapter 4-Water , D.G. Taylor, CRC Press, 2006.
4. Briggs, et al., Malting and Brewing Science, Vol. 2, Chapman and Hall, London, 1981) 5. Troester, K, The Effect of Brewing Water and Grist Composition on the pH of the Mash, Braukaiser.com, 2009.
6. Sykes, WJ, Ling, AR, Principles and Practice of Brewing, 3rd Edition, Charles Griffin and Co. Ltd., London, 1907.
7. deLange, A. J., Alkalinity Reduction with Acid, wetnewf.org/pdfs/alkalinityreduction-with.html, reduction-with.html, 2013.
8. Kolbach, P., The Influence of Brewing Water on the pH of Wort and Beer, VLB Monthly for Brewing, P Kolbach Ed., Vol 6, Number 5, May 1953, Berlin. Translated by deLange and Troester, wetnewf.org/pdfs/Brewing_articles/KolbachPaper.pdf wetnewf.org/pdfs/Brewing_articles/KolbachPaper.pdf
9. deLange, A. J., Chalk, www.wetnewf.org/pdfs/chalk.html, 2013. 10. Brungard, M., email communication, 2013.
7 Ajustando el agua para los estilos. Ajustar el agua para una cerveza específica es una de las partes más desafiantes de crear una receta. Hay un montón de decisiones, un montón de elecciones y un montón de margen. No hay una única perfecta agua para un estilo específico, pero el agua y el estilo elegido pueden evolucionar de la mano para lograr una receta perfecta. Los primeros requerimientos para el agua para elaborar cerveza son que en los macerados alcance el rango de pH objetivo (típicamente 5,2-5,6 a 20ºC) y que el carácter de sabor del agua debe resaltar el carácter de la cerveza y no opacarlo. Muchas grandes recetas de cerveza han sido desacreditadas por una falta de entendimiento entendimiento sobre la relación entre el estilo y las elecciones sobre el agua para crear la receta. Afortunadamente, ahora se está haciendo más común para las recetas incluir información del agua. Otro error común es pensar que el agua de una región cervecera famosa no es ajustada antes de usarla en las cervecerías. Los cerveceros han modificado (jugado con) su agua por cientos de años. Consultores privados de agua han existido al menos por los últimos 100 años, incluso mucho mas. En 1935, Wallerstein Laboratories publicó “, The Treatment of Brewing Water in the Light of Modern Chemistry” (el tratamiento del agua para elaborar cerveza a la luz de la química moderna). En el resumen dicen “cada agua debe ser cuidadosamente estudiada y tratada de acuerdo a
las necesidades especificas. especificas. Por 20 años hemos hecho el tratamiento del agua nuestro tema de estudio, suministrando a los cerveceros con las sales particulares Wallerstein Burton necesarias para mejorar y corregir el agua para elaborar cerveza.
Somos cerveceros, experimentamos, ajustamos, nunca dejamos de ser creativos.
Como elaborar seriamente una buena cerveza.
Paso 1: comprar un pH metro. No hemos gastado las primeras dos terceras partes del libro para definir el pH, describiendo factores que afectan el pH y discutiendo métodos para ajustar el pH de macerado solo para tirar todo y decir “no te preocupes sobre el pH de macerado, va a estar lo suficientemente cerca”. Esa es la clase de cosa q ue se le dice a los principiantes: “no te preocupes, todo se viene v iene abajo al principio, solo divertirte”. Usted
no es un principiante. Si usted es serio sobre elaborar buena cerveza, entonces necesitas ser serio sobre medir tus resultados y alcanzar los objetivos. Para ser capaz de visualizar un objetivo, planea un curso de acción y consistentemente lograr el objetivo es la marca de un experto. Entonces, salí y compra un buen pH metro. Las tiras de pH son para amateurs. Se serio sobre tu cerveza. Para más información sobre pH metros ver el apéndice A.
Aguas históricas, tratamientos y estilos.
El agua es uno de los factores que hace a una cerveza regional única. Un buen ejemplo la cerveza estilo Pilsner. El agua muy blanda de Plzen influye cada aspecto del estilo; malteado, macerado, los sabores a maltas resultantes, la selección de variedades de lúpulos y el programa de lupulado que mejor se asocia a esos sabores. Recrear una Pilsner con un agua muy diferente es uno de los grandes desafíos que un cervecero puede tomar. Hoy, con la disponibilidad de los sistemas de osmosis inversa, es mucho más fácil hacer el tipo de agua para un estilo particular. ¿Pero cuál es el tipo correcto de agua? Históricamente, los cerveceros han mirado a la composición del agua de algunos de los sitios famosos donde se elabora cerveza y trataron de replicar esas aguas para hacer el mismo estilo de cerveza. Libros Como American Handy Book of Brewing, Malting, and Auxiliary Trades (1902), el libro de Wallerstein Laboratories
mencionado más arriba y Malting and Brewing Science (1981) incluyen la composición del agua para ayudar a los lectores a entender la relación entre la composición del agua y el estilo de cerveza. Los perfiles en la tabla 15 son ejemplos comunes citados, pero no podemos tomar estos números como la biblia solo porque están publicados, debemos entender las circunstancias y el contexto bajo el cual las mediciones fueron recopiladas.
Tabla 15: Perfiles de agua de sitios famosos donde se elabora cerveza.
Ciudad/ estilo
Ca+2
Mg+2
HCO3-
Na+
Cl+
SO4-2
RA*
Sum (+)
Sum(-)
Pilsen / pilsner
10
3
3
3
4
4
-6
0,9
0,2
Dublin / dry
118
4
319
12
19
54
175
6,8
6,9
225
40
180
60
60
120
-36
17,2
7,1
200
60
120
8
12
125
-80
15,3
4,9
76
18
152
¿
2
10
60
5,4
2,8
52
32
104
86
34
32
29
9,0
3,3
125
25
225
55
65
140
80
10,7
8,4
352
24
320
54
16
820
-3
21,9
22,8
stoyt Dortmund / Esport lager Vienna / Vienna Lager Munich/ Octoberfest London /British /British bitter Edinburgh/Scot tish Ale Burton/ IPA
*los valores de RA están dados en CaCO 3 en partes por millón (ppm). RA se calcula de los perfiles y se redondea al número entero mas cercando. Fuentes: Burton —Malting and Brewing Science Vol. 1, Dortmund —Noonen, G., New Brewing Lager Beer, Dub lin—The Practical Brewer, Edinb urgh —Noonen, G., New Brewing Lager Beer, London — Westermann and Huige, Fermentation Technology, Munich —Malting and Brewing Science Vol. 1, Pilsen —Wahl- Henius, American Handy Book, Vienna —Noonen, G., New Brewing Lager Beer.
El balance de los mili-equivalentes.
Para que la composición del agua sea validad, la suma de las cargas de aniones y cationes debe ser igual (o casi igual, para permitir pequeños errores). La forma más
fácil para evaluar esto es dividiendo las concentraciones de todos los iones por el peso equivalente apropiado para convertir esa concentración a mili equivalentes por litro. Es mejor si la alcalinidad se representa como “alcalinidad total como CaCO 3”, porque si la lista es solo para bicarbonato, se va a necesitar necesitar calcular la alcalinidad total basada en el pH del agua. Si el pH del agua es de 8-8,6, entonces el bicarbonato es de alrededor del 97% de la alcalinidad total y se puede usar el factor de conversión simple, Alcalinidad total como CaCO 3 = 50 x HCO3/61, para convertir entre los dos valores con seguridad. Si el pH del agua no es dado, se puede asumir que el pH del agua sea probablemente de 7,5 a 8,5 (la mayoría de las aguas potables lo son) y preceder usando el factor de conversión conversi ón
de arriba, pero la alcalinidad alcalinida d total puede estar
infrarrepresentada. Este es un área donde errores pequeños (<1mEq) se pueden manifestar. Para más información sobre el balance de mili equivalentes y la distribución de especies de carbonato ver el apéndice D. Si la diferencia en la suma es mayor a 1mEq, entonces la causa de la discrepancia puede ser porque el reporte sea una compilación de diferentes locaciones cerca de la cuidad o en diferentes tiempos a lo largo del año u otras razones. Por ejemplo, el perfil de Dortmund en la tabla 15 convertido a mili equivalentes por litro.
Dortmund (de la tabla 15). Ca+2
Mg+2
HCO3-
Na+
Cl+
SO4-2
mg/l
225
40
180
60
60
120
mEq/l
11
25
3,3
3,6
6,1
2,5
Sum (+)
Sum(-)
17,2
178
Sumando los cationes en mEq/l nos da 11,25+3,3+2,6 =17,2
Sumando los aniones en mEq/l nos da 3,4+1,7+2,5 =7,8
El balance de iones no es tal, por lo que las concentraciones de iones dadas probablemente no son representativas del agua real, aunque pueden estar cerca. A continuación otro perfil de Dortmund, de la tabla 16.
Dortmund (de la tabla 16). Ca+2
Mg+2
HCO3-
Na+
Cl+
SO4-2
mg/l
230
15
235
40
130
330
mEq/l
11,5
1,2
3,8
1,7
3,7
6,9
Sum (+)
Sum(-)
14,5
14,4
Acá se puede ver que la suma de cationes e iones es cercana a la igualdad, la diferencia más grande entre los dos perfiles son los niveles de cloruros y sulfatos. El primer perfil no está necesariamente mal pero esta desbalanceado y por lo tanto no es una descripción correcta del agua que ocurre naturalmente. Un cervecero tratando de replicar el agua va a tenerla difícil si quiere tener las mismas concentraciones, pero la replicación no es el objetivo actual, el objetivo es un cerveza que tenga buen sabor para ese estilo. Además, tener en cuenta que los cerveceros de esa ciudad pueden haber modificado el agua también. Los siguientes perfiles fueron cuidadosamente investigados por Martin Brungard, un ingeniero civil y ambiental que está especializado en la ingeniería de las fuentes de agua. Estos perfiles deberían ser más representativos de la composición actual del agua de cada ciudad (o al menos en un lugar de cada ciudad). Comparar las dos tablas muestra algunas diferencias. d iferencias.
Tabla 16: perfiles de iones de Brungard de principales ciudades. Ciudad/ estilo
Ca+2
Mg+2
HCO3-
Na+
Cl+
SO4-2
RA*
Sum (+)
Sum(-)
Pilsen / pilsner
7
2
16
2
6
8
7
0,7
0,9
Dublin / dry
120
4
315
12
19
55
170
6,9
6,9
230
15
235
40
130
330
20
14,5
14,4
75
15
225
10
15
60
122
5,4
5,4
Munich/ Dunkel
77
17
295
4
8
18
177
5,4
5,4
London Londo n / Bitter
70
6
166
15
38
40
82
4,6
4,6
Edinburgh/Scot
100
20
285
55
50
140
150
9
9
275
40
270
25
35
610
1
18,1
18,1
stoyt Dortmund / Esport lager Vienna / Vienna Lager
tish Ale Burton/ IPA
*los valores de RA son dados como CaCO 3 en ppm. RA es calculada del perfil y redondeada al número entero más cercano.
El dogma del agua virgen.
Una razón por la que las concentraciones de la tabla 15 no dan una igualdad puede ser a que son promedios de varias fuentes en los alrededores de la ciudad. Por ejemplo, tomando Burton-Upon-Trent: tal vez has escuchado que el agua de Burton es el agua ideal para pale ale y probablemente pienses que quieras replicar esta agua exactamente para elaborar mejor este estilo. Sin embargo, indagando profundamente en la historia de esta región nos muestra que el agua no fue siempre tan dura o sulfúrica. En el libro IPA: Brewing Techniques, Recipes and the Evolution of India Pale Ale de M. Steele, el autor muestra que las primeras cervecerías perforaban pozos
pocos profundos cerca del rio Trent, a una profundidad de 9 metros. Sin embargo, a medida que la población y la industria de la cerveza crecían, el rio y los pozos locales se contaminaban con desechos humanos. Como resultado, nuevos pozos fueron hechos más lejos del rio y más profundo (30-60m) para encontrar agua limpia. Información de Worthington para pozos poco o muy profundos muestra una diferencia de cerca de tres veces más de “sulfato de cal” (yeso) y la mitad de “carbonato de cal” (carbonato de calcio) en los pozos más profundos contra los menos profundos, Muchos métodos modernos de de ajuste de agua para estilos estilos ale puede ser que cambien cambien debido a la experiencia de Burton-upon-Trent. En efecto, el término “burtorizacion” fue establecido en 1882. Además, el libor IPA cita a “A Systematic Handbook of Practical Brewing,” de Scouthby en 1885 y muestra una tabla comparando varias fuentes de
agua de Inglaterra, como “Burton Above Marl”, “Burton Below Marl”, “Thames Valley, Deep Well”, entre otras (Marl es un deposito de tipo arcilloso o limoso que contiene
una alta proporción de calcita u otros minerales de calcio). De interés son los parámetros usados para comparar etas fuentes; “carbonatos de cal y magnesio precipitados por hervido”, cal no precipitada por hervido”, “acido sulfúrico” y “acido cítrico”. Claramente los cerveceros en la región de Burton tomaban paso para evaluar
y ajustar cada fuente de agua de acuerdo a sus necesidades.
De todos modos, copiar ciegamente estos perfiles de agua por los números puede ser erróneo. Sin embargo, entendiendo la historia de la región puede ser un buen comienzo cuando se trata de planear el perfil de agua para un estilo.
El rol del calentamiento en la descarbonatación.
El calentamiento y hervido puede tener un gran efecto en la dureza y alcalinidad de lagua. Como se vio en el capítulo 4, la dureza temporal (bicarbonato en el agua) va a precipitar como carbonato de calcio debido a que el aumento en la temperatura produce un cambio en la presión parcial de equilibrio del dióxido de carbono, causando que el dióxido de carbono salga de la solución, el pH aumente, el bicarbonato se convierta en carbonato y por lo tanto sobre saturación de carbonato de calcio. Típicamente el carbonato de calcio va a precipitar hasta que el calcio o el carbonato alcancen una concentración de 1mEq/l. Por ejemplo, observar el perfil de agua de Munich en la tabla 16, presentado a continuación.
Ciudad Munich
Ca+2
Mg+2
77
17
HCO3295
Na+ 4
Cl+ 8
SO4-2 18
RA* 177
Sum (+)
Sum(-)
5,4
5,4
Las concentraciones concentraciones de calcio y bicarbonato son altas y la alcalinidad alcalinidad residual es comparable a Dublin, Irlanda. ¿Cómo esta ciudad se volvió renombrada por la elaboración del estilo pale Munich Helles y la ámbar Oktoberfest? Una respuesta puede ser por la disminución en la alcalinidad al calinidad debido al pre hervido del agua, como se discute en el capítulo 6. Este mecanismo puede hacer decrecer la alcalinidad debido a la precipitación de la dureza temporal y eliminando el sedimento. La solubilidad típica del carbonato de calcio a presión atmosférica normal (presión parcial de CO 2=0,00030,0005atmosferas) es de cerca de 1mEq/l o 20ppm Ca +2 y 50ppm de CO3-2. De todos modos, el hervido va a reducir la dureza temporal a aproximadamente esos niveles, asumiendo condiciones ideales. El calcio y el bicarbonato reaccionan en la base de 1 a 1 mEq, por lo que dividiendo la concentración de arriba por el peso equivalente a 3,85 mEq/l de calcio y 4,81mEq/l de bicarbonato. Asumiendo 1mEq/l de calcio (es decir, 20ppm) remanente, esto significa que 2,85mEq/l de calcio van a reaccionar con
2,85mEq/l de bicarbonato y esto va a dejar (4,81-2,85 = 1,96mEq/l) 120ppm de HCO 3 en la solución La composición aproximada del agua después el hervido va a ser:
Ciudad Munich
Ca+2
Mg+2
20
17
HCO3120
Na+ 4
Cl+
SO4-2
8
18
RA* 74
Sum (+)
Sum(-)
2,6
2,6
Esto es un gran cambio en la alcalinidad residual del agua, de 177 a 78 y esto pude permitir la elaboración de estilos más claros.
El rol de la ley Reinheitsgebot.
La Reinheitsgebot, la ley alemana de pureza adoptada en 1516, hace que lograr el pH de macerado adecuado con maltas claras sea más difícil. Solo el uso de agua, malta, lúpulo y levaduras está permitido para hacer cerveza. La adición de sales no está permitida. En cambio, la acidificación del macerado puede ser realizada con el uso de “Sauermalz” (malta acida, es decir, malta que es rocia da con un mosto como fuente de Lactobacillus y secada) y el proceso de decocción del macerado (desarrollo de
melanoidinas). Un prolongado descanso acido a 30-53ºC fue usado también por muchas cervecerías. La temperatura del descanso acido promueve la actividad de la fitasa y favorece el crecimiento de Lactobacillus. La Reinheitsgebot y Biergesetz de 1993 prohíben las adiciones al agua, pero no remover elementos del agua y los tratamientos de descarbonatación por calentamiento calentamiento y cal apagada son comunes en Alemania. La descarbonatación por cal apagada fue patentada en 1841 por Thomas Clark, químico británico. Varias patentes similares se realizaron en los años siguientes como intentos de mejorar este método, pero el proceso básico de Clark ha pasado la prueba del tiempo y todavía se usa. El ablandando con cal tiene el beneficio de precipitar la dureza de hierro y magnesio como como también la la dureza de carbonato. carbonato. Más información información sobre el ablandado con cal es provista en el capítulo 6. La línea de referencia en que los ingredientes específicos y los métodos de elaboración afectan el sabor de la cerveza. Tomar estas decisiones y lograr el correcto balance son parte del arte de hacer cerveza.
Efecto de los iones en el sabor.
Asumiendo que tenemos un agua que logra nuestro pH objetivo, lo siguiente s iguiente en la agenda es el efecto sobre el sabor de los iones. En la cerveza, algunos iones tienen fuertes sabores, como el cloruro y el sulfato, otros son casi neutrales, como el calcio y otros están en concentraciones muy bajas que están por debajo de la capacidad de percibirlos, como bicarbonato. Algunas veces un cervecero puede solo percibir la diferencia que un ion crea por como el ion afecta el sabor de los lúpulos y maltas. Los iones que más nos preocupan son, claramente, calcio, magnesio, bicarbonato (alcalinidad), sodio, cloruro y sulfato. Se debe recordar que todos los iones agregados en forma de sales y que no se puede agregar un ion solo sin agregar el catión o anión asociado. Por ejemplo, cuando agregamos cloruro de calcio estamos agregando tanto iones de calcio como iones de cloruro. Es difícil agregar más alcalinidad a un agua blanda sin agregar dureza significativa o sodio. Muchas veces es el caso de dos pasos para adelante y uno para atras.
Calcio.
El calcio es el amigo de los cerveceros que hacen cerveza con agua alcalina. La reacción con los fosfatos de la malta es uno de los mecanismos principales para que el pH del macerado caiga. Es remarcadamente sin sabor. Protege, estabiliza y promueve la actividad enzimática en el macerado. Ayuda en la coagulación de proteínas, la formación de turbio, precipitación de oxalato, metabolismo de levaduras y floculación de levaduras. Los niveles de calcio en el agua necesitan ser lo suficientemente altos para mantener niveles altos a través del hervido y la fermentación. Un rango de 50200ppm en el agua del macerado es recomendado. Una regla general de cervecero viejo cuando se cocina con agua blanda es agregar 2/3 de la adición mineral al macerado y 1/3 al hervido para asegurar que el calcio suficiente está presente para buena claridad, aunque la adición total para buena claridad no se menciona. El calcio (y carbonato) no son percibidos de que tengan efectos en el sabor, como el sodio o
cloruro, pero se pueden percibir como “mineral” a altas concentraciones ( >200ppm), en la misma forma que el agua mineral embotellada.
Magnesio.
El magnesio es usualmente agregado en la forma de sal de Epsom (MgSO 4), la cual contribuye a la carga de sulfato de la cerveza. EL magnesio trabaja la mitad de bien que el calcio en bajar el pH de macerado debido a su mayor solubilidad del fosfato de magnesio e hidróxido e magnesio relativa al hidróxido de apatita. El magnesio es reconocido como un nutriente necesario para las levaduras a 5ppm, pero el mosto de cebada típicamente contiene más de lo que las levaduras requieren (100ppm a 12ºP). Algunas fuentes indican que 40ppm 40 ppm debería ser la máxima concentración porque se dice que tiene un sabor amargo. El manual EBC Manual of Good Practice, Vol. 13 —Mashing and Mash Separation dice “una baja concentración
(menor a 7,1mEq/l de MgSO 4 o 86ppm de magnesio) no afecta el sabor de la cerveza. Un mayor nivel de iones de magnesio puede impartir una indeseado acides y un gusto amargo en la cerveza”. Algunos cerveceros creen que tener un mínimo nivel de
magnesio en la cerveza contribuye en gran medida con el sabor. A nuestro entendimiento, no hay estudios que se hayan hecho para determinar este nivel pero uno de los autores (C. Kaminski), jura hay que agregar pequeñas cantidades de sal de Epson a las cervezas oscuras, como Porter, para lograr un mínimo de 30ppm de Mg del agua que va al macerado.
Sulfato.
El sulfato es un carácter que define el agua de Burton-upon-Trent. Mientras que el suministro de agua municipal de Burton-upon-Trent requiere por estatuto no exceder los niveles de sulfato de 250ppm, algunos pozos pueden ser tan altos como 850ppm. El sulfato puede hacer el carácter del lúpulo más enérgico o seco pero varios cerveceros encuentran a muy altos niveles que reduce la calidad del amargor y puede tener un sabor mineral. En cantidades relativamente moderadas moderadas (200-400ppm) (200 -400ppm) se dice
que aumenta el tiempo que persiste el amargo y acentúa el sabor y aroma del lúpulo. Sin embargo, muchos cerveceros de lager checos y alemanes eliminaron los sulfatos completamente completamente porque encontraron que arruina el carácter débil y noble del lúpulo de los estilos Pils y Helles. La forma más común de agregar sulfato es agregando yeso.
Cloruro.
El cloruro es una adición común en el agua y la cerveza. Brinda una calidad más redondeado, pleno, dulce al carácter de la malta y de la cerveza. Puede ser agregado al agua como CaCl2 y así agregar calcio para bajar la alcalinidad residual o puede ser agregado al hervido como CaCl2 o NaCl (usar sal no iodada, libre de agentes anti aglomerantes) para resaltar el carácter carácter de la malta. El cloruro se dice que es corrosivo para los equipos de la cervecería, incluyendo el acero inoxidable, a concentraciones mayores a 100ppm. Concentraciones Concentraciones mayores a 300ppm pueden tener efectos negativos en la clarificación de la cerveza, en el cuerpo y la estabilidad coloidal. Concentraciones mayores a 400ppm se dice que tienen efectos adversos en el sabor de la cerveza. La tasa de fermentación es afectada cuando la concentración concentración excede de 500ppm. Recomendamos que la concentración concentración en el agua de macerado no exceda de 200ppm.
Sodio.
El sodio parece ser hijastro bastardo bastardo de los iones y en muchos sentidos, lo es. Es difícil agregar alcalinidad al agua sin agregar sodio, como bicarbonato de sodio o hidróxido de sodio. Es un subproducto común del intercambio iónico para ablandar el agua y no es afectado prácticamente prácticamente por los otros tratamientos tratamientos del agua, también también es difícil de eliminar de la fuente de agua Hay versiones de potasio de la mismas sales, pero el mosto de cebada ya contiene altas concentraciones (400ppm a 10ºP). A bajas concentraciones, el sodio endulza el carácter de la malta. De acuerdo al manual EBC Manual of Good Practice, Vol. 13, cuando el sodio se asocia con el cloruro (no se dan
niveles), el sodio da un gusto salado a concentraciones mayores de 150ppm. A
concentraciones concentraciones más bajas ( <150ppm) mejora la sensación en boca y plenitud de cervezas pale. El manual EBC además dice que las cervezas ale son menos afectadas por el cloruro de sodio que las cervezas lager. Recomendamos Recomendamos que la concentración en el agua de macerado sea menor a 100ppm.
Relación sulfato-cloruro.
La relación sulfato-cloruro se dice que influye en gran medida el balance amargo-maltoso o seco-plenitud de la cerveza. También se sugiere que la relación es más importante para el balance que las cantidades en sí. Sin embargo, el sentido común nos dice que una cerveza con una relación 5:1 que consiste en 5ppm de sulfato y 1ppm de cloruro va a ser indistinguible de la misma cerveza con la relación 5ppm:5ppm. Claramente, un mínimo nivel de concentración de sulfato y cloruro deben estar presentes en la cerveza para tener un efecto apreciable, en el rango de 50150ppm. Por supuesto, el primer pensamiento cuando se realiza una nueva receta de pale ale es que se quiere un carácter definido-fresco a lúpulo con un final maltoso y uno se va a tentar a maximizar ambos (400ppm). Sin embargo, altos niveles de ambos puede saber mineral y áspero. La experiencia del autor (C. Kamiski) con pale ale, trigo, IPA y otros productos principales es su pub cervecero a lo largo de 10 años han demostrado que el efecto es real, si se implementa siguiendo esta guía: La relación sulfato-cloruro es una medida útil de la movilización del balance de sabor en la cerveza. El rango útil es de 9 a 0,5, predominantemente para las ales. Estilos pale y lagers claras que dependen del aroma fino y noble del lúpulo son más sensibles a los niveles de sulfato y bajos niveles de sulfato son recomendado generalmente (<100ppm). La relación sulfato-cloruro no es mágica, una relación de 30:30ppm no es igual a una relación de 300:300ppm, aunque ciertas referencias publicadas lo dicen. Basados en nuestra experiencia, experiencia, un nivel mínimo de cloruro que afecta el sabor de de la cerveza es de 50ppm y el máximo debería estar probablemente en 200ppm. Basados en nuestra experiencia, experiencia, el nivel mínimo de d e sulfato para afectar el sabor de la cerveza debería estar en 50ppm y el máximo en 500ppm. Se debe notar que si
bien algunas grandes cervezas se han hecho con niveles de sulfato que exceden de 80ppm, muchas personas pueden ser sensibles a altos niveles de sulfato y puede causar problemas gastrointestinales. gastrointestinales. Lo lindo de experimentar con la relación sulfato-cloruro en una cerveza es que puede ser hecho en el vaso. Un fácil experimento es tomar varios vasos de cerveza y dosificarlos con diferentes cantidades de CaCl 2 y CaSO4. Para hacer esto, disolver una cuchara de té (pocos gramos) de CaCl 2 y CaSO4 en vasos separados de agua tibia. El CaSO4 es difícil de disolver por lo que hay que agitarlo, la mayoría se va a disolver. Usar una pajita o gotero para agregar unos pocos mililitros de una u otra solución y probar la cerveza. Así se aprende la diferencia que la relación puede hacer de primera mano.
Hacer el agua para la elaboración de cerveza desde cero.
Los cerveceros han estado agregando sales minerales al agua durante cientos de años y mientras que los nombres de las sales y las cantidades han cambiado, la intensión no: aumentar el calcio y controlar la alcalinidad para mejorar la cerveza. Los cerveceros hoy tienen el lujo que los cerveceros de antaño no tenían: fácil acceso a agua de-ionizada o de osmosis inversa que les permite a los cerveceros crear un perfil mineral deseable desde cero. Generalmente hablando, los tratamientos de agua remueven casi todos los minerales del agua. Sin embargo, si el agua se deja en contacto con el aire, dióxido de carbono se va a disolver desde el aire y el pH del agua gradualmente bajara bajara hasta 5, como lo hace con el agua ag ua de lluvia. La adición de sales de sulfato de calcio y magnesio al agua es muy directa, las contribuciones de los iones están en la tabla 17, y ambos actúan en bajar el pH del macerado. El sulfato de calcio puede ser difícil de disolver el agua sin embargo, tiene un nivel de saturación de 1,9-2,1 gramos por litro en la temperaturas de se utilizan para hacer cerveza. La máxima solubilidad ocurre a 40ºC. EL cloruro de calcio es otra opción popular para afectar el pH de macerado y sabor pero hay dos problemas cuando se calcula la adición: 1) el cloruro de calcio tiende a absorber agua y el polvo debe ser guardado al vacio para evitar que se forme el cristal solido y 2) las fuentes comerciales varían en la pureza. La forma deshidratada es la más común y se puede
conseguir en casas de suministro s uministross científicos a precios elevados. Una fuente comercial para el tratamiento industrial de la comida y el agua tiene más que ver con un producto que tiene 75-80% de CaCl 2.2H2O con otros componentes como Ca(OH) 2, MgCl2, NaCl y agua. Si es para la industria alimenticia, es obvio que es grado alimenticio, pero las impurezas pueden complicar los cálculos hechos. El número de moléculas de agua asociado al polvo de cloruro de calcio es típicamente 2 pero va a tender a adsorber más si se expone a humedad. De hecho, el cloruro de calcio es delicuescente, delicuescente, va a absorber tanta agua que se va a convertir en una solución. El punto es que el peso de esa agua debe ser tenido en cuenta cuando se calcula la contribución de iones de cloruro de calcio u otras adiciones de sales hidratadas. La contribución de iones comunes de las sales que se usan para elaborar cerveza, incluidas las hidratadas, se enlistan en la tabla 17. Las sales de carbonato también pueden ser problemáticas, pero por diferentes razones. Primero, el carbonato de calcio es prácticamente insoluble en agua, la solubilidad desde 0,5 gramos por litro a condiciones de presión y temperatura estándar. La solubilidad se puede aumentar aumentando el CO 2 disuelto como se discutió en el capítulo 4, pero no es muy práctico. El yeso es mas soluble en el macerado que en agua, pero la disolución en el macerado resulta en la casi precipitación de hidróxido de apatita, lo cual reduce la alcalinidad contribuida. Experimentos han demostrado que es inefectivo. Esto se discute mejor en el capítulo 6. El problema principal con el uso del bicarbonato, en el agua o el macerado, es que el bicarbonato se disocia/reacciona de acuerdo a los valores de pK dado en el capítulo 4, resultando en una redistribución de las especies de carbonato y una redistribución en la cantidad de carga (mEq/mmol). Esto también se describe en el capítulo 6. Calcular la cantidad precisa de alcalinidad contribuida por las adiciones de bicarbonato depende del pH del agua, el pH objetivo y otros carbonatos que ya están en solución.
Tabla 17: Contribución de iones por adiciones de sal. Las contribuciones están listadas como equivalentemente como mg/l (ppm), mEq/l o ppm de CaCO3, según corresponda. Mw: peso molar, eqw: peso equivalente, Ceqw: peso equivalente de catión, Aeqw: peso equivalente de anión. Sal (formula)
Concentración Concentrac ión (1g de sal por litro)
Comentarios Comentario s
Carbonato de calcio
400 ppm Ca+2,
No usar. Ver capitulo 6 para la
CaCO3
600 ppm CO3-2
explicación.
mw=100
20mEq/l de alcalinidad
(eqw=50)
Bicarbonato de sodio
273.7 ppm Na+1
Se
NaHCO3
710.5 ppm HCO3-
efectivamente para aumentar la
mw=83
11,8mEq/l de alcalinidad
alcalinidad. La alcalinidad Z depende
disuelve
fácilmente
y
Ceqw=23
del pH. Ver capitulo 6 para la
Aeqw=61
explicación.
Hidróxido de calcio
541 ppm Ca+2
Se disuelve fácilmente en agua,
Ca(OH)2
459 ppm OH-
aumenta la alcalinidad pero ver
mw = 74.1
27 mEq/l de alcalinidad
alcalinidad en el capítulo 6.
Ceqw = 20
ΔRA = 19.3 mEq/l
Aeqw = 17
Hidróxido de sodio
575 ppm Na+1
Disuelve
NaOH
425 ppm OH-
alcalinidad.
mw = 40
25 mEq/l de alcalinidad
peligroso. Consular MSDS antes de
Ceqw = 23
fácilmente.
Aumenta
Cuidado!
Material
usar
Aeqw = 17
Hidróxido de potasio
697 ppm K+1
Disuelve
KOH
303 ppm OH-
alcalinidad.
mw = 56.1
17.8 mEq/l de alcalinidad
peligroso. Consular MSDS antes de
Ceqw = 39.1
fácilmente.
Aumenta
¡Cuidado!
Material
usar
Aeqw = 17
Sulfato de calcio
232.8 ppm Ca+2
La
CaSO4•2H2O
557.7 ppm SO4-
ambiente es de 2gramos por litro.
saturación
a
temperatura
mw = 172.2
Agitar vigorosamente. vigorosamente.
Ceqw = 20
Baja el pH del macerado.
Aeqw = 48
Sulfato de magnesio
98.6 ppm Mg+2
La
MgSO4•7H2O
389.6 ppm SO4-
ambiente es de 255 gramos por
mw = 246.5
saturación
a
temperatura
litro. Baja el pH del macerado
Ceqw = 12.1 Aeqw = 48
Cloruro de calcio
272.6 ppm Ca+2
Disuelve fácilmente
CaCl2•2H2O
482.3 ppm Cl-
Baja el pH del macerado.
mw = 147.0
La sal de grado alimenticio no es de
Ceqw = 20
alta pureza
Aeqw = 35.4
Cloruro de magnesio
119.5 ppm Mg+2
Disuelve fácilmente
MgCl2•6H2O
348.7 ppm Cl-
Baja el pH del macerado.
mw = 203.3
La sal de grado alimenticio no es de
Ceqw = 12.1
alta pureza
Aeqw = 35.4
Cloruro de sodio
393.4 ppm Na+1
Disuelve fácilmente
NaCl
606.6 ppm Cl-
Evitar la sal iodada y los agentes
mw = 58.4
anticoagulantes.
Ceqw = 23 Aeqw = 35.4
Eligiendo el agua para el estilo.
“ Hay Hay reglas, que fueron pensadas para fortalecer los lineamientos generales, que
derivan de los principios, que son suficiente hasta que uno realmente entiende lo que está pasando”. J. Palmer.
Hasta ahora, estas diciendo que solo quieres que el agua sea húmeda y te olvidas de todas las reglas y lineamientos generales. Nunca temer, es posible elegir un perfil de agua para tu cerveza sin tener que tener un titulo en química. Perfiles de agua sugeridos para la mayoría de los estilos usuales de cerveza, excepto sours y añejadas en madera, están listadas en la tabla 18 y 19. Estos son perfiles de agua sugeridos, basados en la experiencia de los autores y cálculos. Tomarlos con pinzas. Los
cerveceros deberían mirar estos perfiles como un punto de partida para la experimentación experimentación con el estilo. Las tablas están organizadas en ale y lager, y por fuerza y color general. Las tablas dan rango sugeridos para calcio, alcalinidad total, sulfato, cloruro y la alcalinidad residual de Kolbach. Estos rangos son el terreno de juego, no está pensado que sea inclusivo para cada combinación de los componentes. Por ejemplo, una combinación particular de calcio y alcalinidad dentro de sus rangos respectivos puedo que no produzca un valor de alcalinidad residual que este en el rango enlistado de RA. Eso está bien, o bien una combinación que no caiga dentro de rango recomendado de RA, o considerar esto como una oportunidad para exponer tu arte como cervecero y hacer una cerveza fantástica, independientemente. independientemente. Puede que hayas notado que las concentraciones de sodio y magnesio recomendadas no estás en las tablas. La razón principal fue conservar espacio en la tabla. La segunda razón es que los niveles de sodio y magnesio nunca han sido asociados con un estilo en particular. El sodio afecta el sabor pero la cantidad necesaria para afectarlo parece depender del individuo, lo mismo que con la sal de mesa y la comida. Bajas concentraciones se dice que resaltan el sabor de la cerveza y hacen que la cerveza tenga gusto más dulce. Altas concentraciones se dice que causan un amargor áspero o sabor metálico. Generalmente recomendamos no exceder de 100ppm. En efecto, una encuesta reciente sobre varios estilos de cervezas comerciales por C. Bamforth indica que de 25 cervezas, solo una excedió el rango general de 1075ppm con un valor de 127ppm. El valor promedio fue de 35ppm. No hay recomendaciones particulares para las concentraciones de magnesio en el agua en la literatura cervecera tampoco. Sin embargo, la misma encuesta por Bamforth determinó que la concentración de magnesio en las cervezas comerciales testeadas esta en un rango de 30-118ppm, con una media de 74ppm. No hay duda en la mente de los autores que la gran mayoría proviene de la malta. Generalmente solo una pequeña cantidad en los suministros de agua, por lo que asumimos una concentración nominal de 15ppm de magnesio para todos los perfiles y usamos esa concentración en los cálculos de RA. La única excepción a esta recomendación general puede ser para Porters y Stouts, y tal vez, estilos lager oscuros similares, donde una
concentración cercana a 30pm es recomendada por los autores para un mejor sabor de la cerveza basada en la experiencia. Nuevamente, tomar esto con pinzas. p inzas.
Unas notas sobre sobre la definición de categorías y rangos. Fuerza Fuerz a
Liviana = OG 30-45, Media = OG 45-65; Fuerte = OG+65
Color
Pale= 0-9SRM, Ámbar= 9-18SRM, Marrón=18-35SRM, Marrón=18- 35SRM, Negra= +35
Amargor
Suave= 10-20IBUS, Moderado= 20-35IBUS, Firme= 36-100
Alcalinidad
total
Baja= 0-40ppm, Moderada= 40-120ppm, Alta= 120-200
como CaCO3 Alcalinidad
Como se indica.
Residual (Kolbach) Acides
Si= las adiciones acidas son necesarias generalmente generalmente para dar en el objetivo de pH de macerado y/o acidificación del agua de lavado es recomendada para prevenir la extracción excesiva de taninos. Tal vez= Las adiciones de acido no son necesarias para el pH de macerado, pero la acidificación del lavado puede ayudar, dependiendo de la receta y de la alcalinidad del agua. NO= no son necesarias las adiciones de acido al macerado o lavado. La acidificación del agua de lavado es siempre una opción a criterio cr iterio del cervecero.
Nota: Si estás haciendo tu agua de una fuente RO y no agregas alcalinidad entonces la acidificación del agua de lavado no n o es generalmente necesaria.
Estas descripciones son generales, ningún sistema de clasificación de las cervezas es perfecto. Un amargor firme en un estilo de cerveza puede ser moderado amargor en otro estilo. Donde un estilo particular es un dato atípico en su grupo, como Dormunder Export en el grupo medio lager/pale, estará entre paréntesis como un parámetro atípico. El estilo Bohemian Pils fue puesto en el grupo lager suaves/pale aunque su OG la ubica en la categoría media, pero siempre ha está en la clase por sí misma. Algunos problemas con American pale ale, extra pale e IPA, finalmente fueron ubicadas es sus propias categorías. La extrema lupulización de estos estilos los diferencia realmente realmente de otras ales de similar s imilar densidad y color.
Tabla 18a: perfiles de agua sugeridos para estilos lager. (Todos los valores en ppm o ppm como CaCO 3 para alcalinidad alcalinidad y RA). Tipo
Color
Amargor
Ca
Alcalinidad
Sulfato
Light Ligh t lager
Pale suave
Suave (firme)
50
0-40
0-50
Medium lager
Pale moderado
Moderado, Firme
50-75
0-40
50-150
(75-150)
(40-80)
Medium lager
Ambar suave
Suave, Moderado
50-75
40-120
0-100
Médium lager
Marron/negro
Suave, Moderado
50-75
80-120
0-50
suave Strong lager
Ambar
Suave, Moderado
50-75
40-80
0-100
Strong lager
Marron/negro
Suave, Moderado
50-100
80-150
0-100
suave
Tabla 18b: perfiles de agua sugeridos para estilos lager. (Todos los valores en ppm o ppm como CaCO 3 para alcalinidad y RA). Tipo
Cloruro
Kolbach RA
Acides
Estilo
Light lager
50-100
60-0
Si
Lite American Lager, Standard American Lager, Munich Helles, (Bohemian ( Bohemian Pils)
Medium lager
50-100
60-0
Si
(-30-30)
American Premium Lager, German Pils, Classic American Pils (Dortmunder Export)
Medium lager
50-150
0-60
Puede ser
Vienna, Oktoberfest
Médium lager
50-150
40-80
No
American Dark, Munich Dunkel, Schwarzbier
Strong lager
50-100
0-60
Puede ser
Helles/Maibock, Helles/Maibock, Traditional Bock, Doppelbock
Strong lager
50-100
60-120
No
Traditional Bock, lager Doppelbock, Eisbock, Baltic Porter
Organizar las cervezas por color es difícil. Un buen sistema probablemente debería partir el color en incrementos de 2-3 SRM y tal vez 8 diferentes grupos. Nosotros elegimos 4 y los combinamos dentro de tres. La razón para esto está en el capítulo 5 y la investigación sobre la relación entre el color y la acides de la malta. Las cervezas pale son especialmente solo malta base o pueden contener un bajo porcentaje de granos especiales levemente levemente tostados. Los estudios sobre la acides de la malta por Bies y Troester (ver capitulo 5) indican variabilidad significativa en la región entre 2-10 Lovibond pero están generalmente en el rango de 5-15mEq/kg con respecto
al pH final por titulación de 5,7. Las cervezas color ámbar (9-18SRM) típicamente tienen un mas alto porcentaje de malas tostadas o caramelo, que raramente exceden el 15%. La mayor parte de las maltas especiales en las cervezas ámbar son moderadamente tostadas, como Munich, biscuit, caramelo 40-60-80 y tienen una acides en el rengo de 10-50mEq/kg cuando son tituladas al pH final de 5,7 por titulación. Las maltas más caramelizadas, como caramelo 90 y 120 y especial B tienen alguna de la acides más alta registrada: 40-80mEq/kg re. pH final de 5,7, pero estas maltas son típicamente usadas solo en porcentajes pequeños (<5%) en las ámbar profundo, marrón o cervezas negras-rubí. Las maltas altamente tostadas generalmente generalmente se usan en mayor cantidad en una receta que las maltas caramelo oscuro pero la proporción raramente excede el 10%. La acides de las maltas tostadas parece ser más constantes con respecto al aumento de color, de 40-60mEq/kg re pH final de 5,7. Un análisis más extensivo sobre la titulación de maltas por deLange (ver capitulo 5) determinó que la acides que contribuye y la capacidad buffer de las maltas varia considerablemente como una función del pH de la solución (macerado) a la cual es agregado. Sin embargo, el trabajo de deLange confirma las magnitudes generales y tendencias de acides para los diferentes tipos de malta (base, altamente secadas y tostadas). El resultado de estos varios rangos de acides, porcentajes de receta y color de cerveza es que las cervezas pale hacen una categoría general de estilos con relativamente baja acides, cerveza ámbar son una categoría de mediana acides y las cervezas color cobre/marrón/negras hacen la categoría de mayor acides. El análisis de los granos típicos en una cerveza de estilo ámbar profunda, marrón o negra sugiere que muchas de estas cervezas tiene una composición de acides similar. Hay excepciones para cada generalización por supuesto, tu receta puede variar. El punto principal es que las tablas dan un lógico punto de comienzo para diseñar un agua para una receta de cerveza. En la siguiente sección vamos a usar las tablas y trabajar con algunos ejemplos.
Tabla 19a: perfiles de agua sugeridos para estilos Ale. Todos los valores están en ppm (es decir, mg/l) excepto la alcalinidad y RA, los cuales están en ppm como CaCO 3.
Tipo
Color
Amargor
Ca
Alcalinidad
Sulfato
light ale
Pale
Moderado Moderad o
50-100
0-80
100-200
light ale
Ámbar
Suave,
50-150
40-120
100-200
Moderado light ale
Marrón/negra Marrón/ne gra
moderado
50-75
80-150
50-150
Medium ale
Pale
Suave,
50-100
0-80
0-50
50-150
40-120
100-400
50-150
40-120
100-300
50-75
80-160
50-150
moderado Medium ale
Pale
Moderado, firme
Medium ale
Ámbar
Moderado, firme
Medium ale
Marrón/negra Marrón/ne gra
Moderado, Moder ado, firme
Strong ale
Pale
Moderado
50-100
0-40
50-100
Strong ale
Ámbar
Moderado,
50-100
40-120
50-100
50-75
120-200
50-150
firme Strong ale
Marrón/negra
Moderado, firme
Tabla 19b: perfiles de agua sugeridos para estilos Ale. Todos los valores están en ppm (es decir, mg/l) excepto la alcalinidad y RA, los cuales están en ppm como CaCO 3. Tipo
Cloruro
RA Kolbach
Acides
Estilos
light ale
50-100
-60-0
SI
Blonde Ale, American Wheat, Standard Bitter, Best Bitte
light ale
50-100
0-60
Tal vez
English Mild, Scottish 60/70/80, Standard Bitter, Best Bitter
light ale
50-100
30-90
Tal vez
English Brown, Brown Porter, Dry Stout
Medium ale
0-100
-30-0
si
Weizen, Witbier, Cream Ale, Blonde Ale, Kölsch
Medium ale
0-100
-30-30
Tal vez
American Pale Ale, American XPA, Saison, American IPA, Double IPA
Medium ale
50-100
0-60
no
Altbier, California Common, ESB, Irish Red, American Amber, English IPA, Roggenbier, Belgian Pale, Saison
Medium ale
50-150
60-120
No
American Brown, English Brown, Brown Porter, Robust Porter, Dry
Stout, Sweet Stout, Oatmeal Stout, Foreign Extra Stout, American Stout, Dunkelweizen Strong ale Strong ale
50-100 50-150
-30-0 0-60
tal vez no
Belgian Blonde, Golden Strong, Tripel Strong Scotch Ale, Bière de Garde, Dubbel, Old Ale, Barleywine
Strong ale
50-150
120-200
No
Baltic Porter, Foreign Extra Stout, American Stout,
Stout,
Russian
Weizenbock,
Imperial
Belgian
Dark
Strong, Old Ale
Ajustando el agua para ajustarse al estilo.
En esta siguiente sección vamos a mirar tres estilos de cerveza (American pale ale, Pilsner, and foreign extra stout) y discutir opciones para ajustar la fuente de agua del ejemplo para ajustar mejor cada estilo basado en los lineamientos de las tablas 18 y 19. Cada situación de elaboración de cerveza es presentada con opiniones y vamos a discutir los pros y contras de esas opciones con la esperanza de que ganes un mejor entendimiento de cómo ajustar el agua para hacer cerveza. Evaluando opciones y tomar decisiones es parte del arte del cervecero. Antes de comenzar, sin embargo, hay que tener en mente algunas reglas de oro: 1- El objetivo es una cerveza con buen gusto 2- menos es más, no sobre mineralizar la cerveza. 3- no esperar de crear a la primera la perfecta pareja entre la receta y el agua. Típicamente, Típicamente, va a tomar toma r 3-5 lotes para cualquier receta. 4- El rango de pH objetivo de macerado es 5,2-5,6, medido a temperatura ambiente. Cuando ajustes tu agua, debes verificar que el macerado/mosto todavía está en el rango objetivo usando un pH metro calibrado en un muestras a temperatura ambiente.
5-Los últimos pasos típicamente necesitan estar por debajo de pH 5,8 y sobre una densidad de 1,008 para evitar la extracción de malos sabores. Debes verificar el pH del último paso al final del lavado sobre una muestra a temperatura ambiente. Puede haber otros lineamientos generales también, como ser: la discreción es la mejor parte del sabor. No querer hace encajar un cuadrado en un agujero redondo. Medir dos veces, agregar una. No tener miedo de tener los pies mojados, pero no excederse.
Calculando la alcalinidad residual.
La ecuación de kolbach para la alcalinidad residual es definida como los mili equivalentes de alcalinidad que son neutralizados como una función de los mili equivalentes de calcio y magnesio por medio de la liberación de protones por las reacciones de precipitación de fosfato. La alcalinidad total es típicamente indicada como “ppm de CaCO3” lo cual es mili equivalente de alcalinidad multiplicado por el
peso equivalente de carbonato de calcio (50). Algunas veces la “dureza total como CaCO 3” va a ser listada también.
Desafortunadamente, Desafortunadamente, esta cantidad cantidad no es muy útil porque los efectos del calcio calcio y el magnesio en la alcalinidad residual no son guales, el magnesio es la mitad de efecto que el calcio. Las concentraciones es necesario que estén listadas separadamente separadamente en el reporte de agua como simple ppm (la concentración del ion). Para usar estas concentraciones en la ecuación clásica: RA = Alcalinidad- ((Ca/3,5)+(Mg/7), sin embargo, deben ser convertido a ppm de CaCO 3 para estar en las unidades de alcalinidad, o todas las especies tienen que convertirse en mili-equivalentes. La base de estos cálculos es cubierta en los apéndices. Para hacer tu vida más fácil. La siguiente ecuación ha sido convertida usando las concentraciones de calcio y magnesio en ppm y la alcalinidad toda como ppm de CaCO3, directamente:
RA = Total Alkalinity - [Ca]/1.4 - [Mg]/1.7
Haciendo una American Pale Ale.
La primer cerveza que vamos a tratar de hacer es una American pale ale. Parece ser que es un estilo fácil de hacer e indulgente, pero se puede ganar o perder dependiendo del agua. Asumiendo que la mezcla de granos contiene no más de 15% de maltas especiales, como Munich, biscuit y caramelo ligero (C40) con un color estimado de la cerveza de 7SRM. La OG es 1,052 o 13ºP. El primer paso es tener un reporte de agua. El reporte para ese ejemplo se muestra a continuación
Reporte de agua: pH: 7.8 70 Ca 15 Mg 125 de alcalinidad toda como CaCO3 35 Na 55 Cl110 SO4 -2 66 RA (calculada) A primera vista, este agua parece ser acatable como esta, sin cambios necesario. Mas que el mínimo de calcio, un buen nivel de magnesio y la relación de sulfato-cloruro de 2:1. La alcalinidad está un poquito más alta, pero no por mucho. Mirando al perfil sugerido para una medium strength pale ale en la tabla 15, vemos que:
50-150 Ca (chequeado) 40-120 Alcalinidad Total (¿bastante cercano?) 100-400 Sulfato (chequeado)) 50-100 Cloruro (chequeado)) -30-30 RA (alto) Acides —Tal vez (Las adiciones de acido no son generalmente necesarias para el pH de macerado, pero la acidificación del lavado puede ayudar, dependiendo de los granos de la receta y de la alcalinidad del agua de lavado)
Uno puede elaborar esta cerveza como esa y varios cerveceros lo harán, pero la alcalinidad y RA de esta agua van a evitar probablemente que el pH del macerado este en el rango objetivo. Si el pH de macerado es alto, el pH del mosto va a ser alto y un amargor áspero se va a crear durante el hervido. Un pH de macero más alto puede causar un pH más alto en la cerveza también, no un valor anormal pero suficiente para hacer que la cerveza se vea deslucida en vez de genial. Teniendo el pH de macerado en el objetivo generalmente significa que el pH del mosto y de la cerveza va a estar en el objetivo. De todos modos, la pregunta es cómo reducir la alcalinidad. alcalinidad.
Tenemos algunas opciones: 1- Agregar más dureza 2-diluir la alcalinidad y agregar dureza. 3- acidificar el agua.
Opción 1: Agregar dureza:
Agregar más dureza es la opción más fácil. La relación sulfato-cloruro puede ser mayor para una pale ale, tanto como 3:1, y la concentración concentración de sulfato está en la parte final del rango sugerido. Usar sulfato de calcio para aumentar el contenido de calcio a 100ppm de Ca y ver donde nos deja eso.
1. De la tabla 17, 1 gramo por litro agrega 238,2ppm de calcio y 557,7ppm de sulfato, por lo que vamos a necesitar 0,125g por litro para aumentar la concentración de calcio (30ppm).
30ppm/238,2ppm por gramo =0,126gramos por litro
0,125gramos por litro contribuyen 0,126x 238,2 Ca/g= 30ppm de Ca
30+70=100ppm total de Ca
¿Cómo esto afecta la alcalinidad residual?
RA= 125- (100/1,4)-(15/1,7) =45ppm de CaCO3
Esto es mejor, pero todavía fuera de los lineamientos generales. El color de nuestra cerveza es solo 7SRM, es muy pale ale. Probablemen Pr obablemente te vamos a necesitar bajar RA cerca del medio de los lineamientos generales para lograr el pH de macerado objetivo (5,4) y lograr la mejor expresión del sabor.
2. Usar el máximo de Calcio de los lineamientos lineamientos generales (150ppm) y ver cuál es la RA entonces.
RA = 125 - (150/1.4) - (15/1.7) = 9 ppm as CaCO3
Este valor es mucho mejor. Peso necesario de Calcio para 150ppm= (150ppm-70ppm)/238,2 =0,335gramos por litro. 0,335gramos de sulfato de calcio por litro van a agregar 187ppm de sulfato, haciendo el total de sulfato 110+186
Este valor está entre los parámetros generales para una pale ale lupulada. Este perfil de agua logra los parámetros generales para el estilo de cerveza y va a valer la pena hace cerveza con este nivel de calcio para ver cómo se va. Es muy importante medir el pH del macerado y de la cerveza como parte de este ensayo. El pH del macerado y de la cerveza son difíciles de predecir debido a la variabilidad de pH DI de la malta base y de la variabilidad de la acides de las maltas especiales entre las malterias. Esa composición ajustada del agua puede permitirnos hacer una cerveza increíble o tal vez no. La cerveza por ahí puede estar un poquito apagada de gusto o puede parecer parecer mineral. Hacer la cerveza cerveza y decidir.
Opción 2: Dilución y agregado de dureza.
Esta opción consiste en diluir la fuente de agua 1:1 con agua destilada o RO y agregar sales de calcio para volver a poner po ner la dureza entre los parámetros generales.
1. La metodología es similar a la opción 1, usando el perfil de agua diluida
Agua diluida diluida (50% de agua RO): RO): 35 Ca 8 Mg 63 Alcalinidad Total como CaCO 3 18 Na 28 Cl55 SO4-2 33 RA (calculada) 2. Agregando 1 gramo de sulfato de calcio (238,2ppm de Ca + y 557,8ppm de SO4-2) por litro esta agua diluida va a quedar:
Agua ajustada: 97 Ca 8 Mg 63 Alcalinidad Total como CaCO 3 18 Na 28 Cl202 SO4-2 (-)11 RA (calculada) Nuevamente, vale la pena hacer la cerveza con esta agua y ver como sabe y compararla con la primera opción. Una remota posibilidad hay de que el pH de macerado para esta opción termine siendo muy bajo (una decima o dos) dado la baja RA, la tasa de dilución se podría reducir reducir o un poco de bicarbonato de de sodio se podría usar para aumentar la alcalinidad. Una prueba de macerado va a determinar si es el caso.
Opción 3: Acidificación.
La tercer opción es técnicamente la mas desafiante pero la acidificación es muchas veces la primer opción de los cerveceros si tienen un pH metro confiable en la olla de macerado. El problema con la fuente de agua es que la alcalinidad y la alcalinidad residual son un poco altas, lo que va a tender a aumentar el pH del amerado y del lavado, y pueda llevar a una cerveza de gusto mas apagada, áspera y amarga.
EL agua con la que comenzamos: 70 Ca 15 Mg 125 Alcalinidad Total como CaCO3 35 Na 55 Cl110 SO4-2 pH del agua = 7.8 (del reporte) 66 RA (calculada) 1. Las figura 44 (100ppm de alcalinidad) y 45 (150ppm de alcalinidad) del apéndice B muestran el porcentaje remanente remanente de alcalinidad debido a la acidificación basada en el pH inicial del agua y el pH acidificado. En este ejemplo, estamos comenzando con un pH de 7,8 y acidificando a pH de 5,75 5 ,75 con acido sulfúrico. El valor del eje Y para el acido sulfúrico, pH 5,75 se curva a pH 7,8 (eje X) corresponde a 20ppm como CaCO 3 en la figura 44 y a 30ppm de la misma curva para la figura 45. Lógicamente, el valor para 125ppm de alcalinidad total va a ser 25ppm como CaCO 3. Las curvas pueden interpolarse de manera similar para otros valores de alcalinidad. ¿Cuánto acido es requerido? Los cálculos están explicados en el apéndice B pero la respuesta corta es que comenzamos con una alcalinidad total de 125ppm como CaCO 3 y acidificamos hasta una alcalinidad total de 25ppm como CaCO 3. La diferencia es 100ppm como CaCO3 o 2mEq/l de alcalinidad que es reducida y por lo tanto 2mEq/l de acido fueron usados. Los cálculos para determinar el volumen de un acido particular también están en el apéndice B.
2. Asumiendo por el momento que nada mas ha cambiado, podemos recalcular RA del agua luego de la acidificación a pH 5,75:
Agua ajustada: 70 Ca 15 Mg 25 Alcalinidad Total como CaCO 3 35 Na 55 Cl 110 SO4-2 pH del agua= 5.75 (acidificada) RA = 25 - (70/1.4) - (15/1.7) = (-)34 Esto es menos que los parámetros generales pero este escenario no está muy lejos de las condiciones para hacer cerveza usadas para la S ierra Nevada Pale Ale. Darle una oportunidad, medir el pH actual del macerado y ver lo que se obtiene, puede ser igual tu mejor cerveza.
Elaborando una cerveza Pilsner.
La Pilsner es uno de los estilos de cerveza menos compasivo. Históricamente siempre se ha hecho con el agua más blanda, casi desprovista de cualquier mineral. Mirando la tabla 14, vemos que el perfil recomendado para este grupo es:
50 Ca (mínimo) 0-40 alcalinidad 0-50 Sulfato 50-100 Cloruro -60-0 RA. Este perfil es una sugerencia, basada en una cerveza de baja densidad (la Pilsner es una excepción), con un carácter a malta suave pero brillante y suave amargor con el balance de sabor hacia la malta. Esto parece ser una descripción razonable del estilo Pilsner excepto que sabemos que el panorama general del estilo es descripto como rico con un amargo pronunciado pero fino, no como las IPA. I PA. La cerveza es suave y balanceada sin ningún rastro de carácter mineral. Basados en esta descripción, queremos acomodar el perfil sugerido un poco. Sabemos que necesitamos algo de calcio para la buena fermentación y clarificación pero realmente necesitamos las 50ppm? El ciclo lager va a mejorar la claridad que
usando menos que el calcio sugerido no va a hacer. Tal vez podemos dejar el calcio en 30ppm si planeamos que no haya alcalinidad en el agua. Probablemente no necesitemos agregar nada de magnesio al agua porque la malta suministra un poco (50ppm a 1,040). Sabemos que los lúpulos sean firmes pero fino, por lo que los sulfatos deben ser evitados.. Un carácter rico a malta es deseado, por lo que un nivel de cloruro es aceptable, pero vamos a tomar como objetivo la parte menor del rango sugerido para mantener el carácter del agua lo más suave que se pueda. Hay solo una opción disponible para la mayoría de los cerveceros que tratan de hacer este estilo, y es empezar con agua RO y agregar cantidades pequeñas de sales. La mejor forma de agregar calcio sin agregar sulfato es usar las sales de cloruro. Mientras un purista de estilo se corra de agregar cantidades significativas de calcio y cloruro, estas adiciones pueden ayudar a producir una cerveza más rica y clara como menos tiempo de decisiones son parte del arte del cervecero. “lagering”. Nuevamente, estas decisiones
Única opción: Crear el agua.
1. De la tabla 17: 1 gramo de cloruro de calcio por litro =272,6 ppm Ca+ y 482,3 ppm Cl -1
Si la composición objetivo del agua es: 30 ppm Ca+2 0 ppm Mg+2 0 ppm Alcalinidad total 0 ppm Sulfato Asumir para este ejemplo que queremos tratar 37,8 litros de agua. Para calcular el peso de cloruro de calcio para tener 30ppm de calcio en 37,8 litros:
30ppm/272,6ppm x1g/l x37,8 litros=4,16 gramos o alrededor de 4,2 gramos de cloruro de calcio.
¿Cuánto cloruro agrega esta adición adición de sal al agua?
4,2gramos x 482,3 ppm por gramo/l/37,8 litros =53,5ppm de Cl -1
Este nivel de cloruro se encuentra en la parte de abajo del rango sugerido, por lo que hemos dado en el objetivo. La forma fácil de calcular estas adiciones de sal es usar una hoja de cálculo de agua como Bru’n Water de Martin Brungard o software para recetas como BeerSmith o BeerTool. Este macerado puede requerir acidificación para lograr el rango de pH de macerado debido a la maltas claras. En Alemania, es tradicional el uso de Sauermalz para agregar acides al macerado. Una dosis recomendada es el 2% del total de granos. De lo contrario, la acidificación con la ayuda de un buen pH metro es recomendado. Esta agua no tiene alcalinidad, por lo que la capacidad buffer de los fosfatos de la malta en el macerado va a mantener el pH estable durante el lavado. Si en las etapas finales el pH excede 5,8 parar el lavado y llenar la olla con el licor remanente para lograr el volumen necesario. La pérdida en el rendimiento de extracción debe ser mínima y la cerveza va a saber mejor que si el lavado se continúa. La próxima vez pueda querer agregar más malta para aumentar el rendimiento o acidificar el agua de lavado para prevenir el aumento de pH. De todos modos, tener en cuenta que es una cerveza lager y dependiendo del ciclo de lagering, el exceso de taninos debería precipitar y la cerveza quedar suave.
Elaborando una Foreign Extra Stout.
En general, vemos cervezas oscuras hechas hechas en regiones reg iones de alta alcalinidad. Esto es porque la alta alcalinidad se balancea con la acides de las maltas oscuras. Para este ejemplo, asumamos que intentamos hacer una foreign extra stout de 1,076 OG, con 7% de caramelos medios y 7% de maltas tostadas. Esta cerveza es categorizada como strong ale, marrón/negra, con moderado amargor.
El agua con el que comenzamos: 40 ppm Ca 9 ppm Mg 100 ppm alcalinidad total como CaCO3
140 Na 60 ppm Cl245 ppm SO4-2 pH = 9 66 RA (calculada) Agua objetivo: 50-75 ppm Ca (bajo) 30 ppm Mg* (bajo) <100 ppm Na* (alto) 120-200 ppm alcalinidad total (bajo) 50-150 SO4 -2 (alto) 50-150 Cl- (bajo) 120-200 RA (bajo) La acidificación no es recomendada para esta categoría. *recomendada desde el texto.
Este es un caso interesante, baja dureza, alto sodio, alto sulfato y moderada alcalinidad. Una rápida revisión del reporte de calidad de agua de la ciudad en internet revela que la planta de tratamiento usa el intercambio iónico para ablandar el agua, remplazando los niveles altos de calcio y magnesio por sodio. El ablandado por intercambio iónico se discute en el capítulo 8. Para hacer una buena foreign extra stout necesitamos una gran cantidad de alcalinidad en el agua para balacear la acides de las maltas caramelos y tostadas. De lo contrario, el pH de macerado podría ser muy bajo (4,9) y la cerveza tomar un carácter unidimensional tostado, acido y a café. Esta cerveza debe ser suave y rica, dulce y seductora. Sin embargo, la alta concentración de sulfato lo va a hacer difícil, el sulfato va a hacer que el perfil de lúpulos de esta cerveza más firme y seco de lo que debería ser para el estilo. Para hacer esta cerveza bien, necesitamos aumentar la alcalinidad total y residual. Además, sería bueno aumentar los niveles de calcio y magnesio a 50 y 30 respectivamente, pero el aumento de la dureza no se va tratar acá (es fácil de hacer, sin embargo, basado en el ejemplo de la American pale ale, las nuevas concentraciones pueden ser incorporado en las opciones para aumentar la alcalinidad que se van a mostrar a continuación. Pero el ejerció se le deja al lector). Las opciones: 1. Aumentar la alcalinidad.
1a. Usando Ca(OH)2- método de RA de Kolbach 1b. Usando Ca(OH)2- método de RA Z 1c. usando NaOH- método de RA de Kolbach 1d. Usando NaHCO3- método de RA Z 2. Hacer una cerveza diferente.
Opción 1a: Usando Ca(OH)2- método de RA de Kolbach.
Agregar alcalinidad para aumentar RA puede ser engañoso. Como se discute en el capítulo 6, básicamente se tiene la opción entre adiciones de carbonato, bicarbonato o hidróxido. El carbonato de calcio se ha mostrado que es inefectivo, por lo que esta fuera. El bicarbonato de sodio puede ser agregado directamente al agua o macerado para aumentar la alcalinidad, pero el nivel de sodio ya es alto. Vamos a hacer un ejemplo con bicarbonato de sodio, pero más tarde en el ejemplo 1d. El hidróxido de calcio parece ser una buena opción. La dureza de calcio que agregamos se va a quitar de la contribución de alcalinidad, pero la concentración de calcio es baja, 50ppm es el mínimo recomendado. De todos modos, el hidróxido de calcio (cal apagada) parece ser más mejor opción acá. Vamos a hacer dos ejemplos (1a y 1b) usando hidróxido de calcio y después continuamos continuamos con un ejemplo usando hidróxido de sodio (ejemplo ( ejemplo 1c) para ver las diferencias. En el ejemplo 1a vamos a usar RA de Kolbach y en el ejemplo 1b vamos v amos a usar la alcalinidad Z para ilustrar las diferencias. El propósito de estas adiciones es aumentar la alcalinidad residual del agua al rango sugerido de 120-200ppm de CaCO 3. En este primer ejemplo, vamos a calcular el peso de hidróxido de calcio para lograr RA de Kolbach de 150ppm como CaCO 3.
1. la alcalinidad residual del agua es 66ppm como CaCO 3 o 1,32mEq/l. Queremos llevarla a 150ppm como CaCO3 o 3mEq/l por lo que necesitamos:
3 - 1.32 = 1.68 mEq/L 1.68 mEq/L va a ser necesario para llevar a 150ppm como CaCO3.
2. de la tabla 17: 1 gramo por litro de hidróxido de calcio contribuye con ΔRA de 19.3 mEq/g•L. Por lo que, 1.68 mEq/L/19.3 mEq/g•L = 0.087gramos por litro de hidróxido
de calcio.
3. Podemos multiplicar estas adiciones por el volumen total de agua para tener el peso total de la adición en el lote.
Una ventaja de trabajar con RA en este caso es que las concentraciones de todos los otros iones no cambian. El cambio en la concentración de calcio del hidróxido de calcio está incorporado en el factor ΔRA.
El agua ajustada: 40 ppm Ca 9 ppm Mg X ppm alcalinidad total como CaCO3 140 ppm Na 60 ppm Cl245 ppm SO4 -2 150 ppm alcalinidad residual como CaCO3 Nuevamente calcular calcular la alcalinidad total nos da: 150 = X - (40/1.4 + 9/1.7) por lo tanto, X = 150 + (40/1.4 + 9/1.7) = 183.8 ppm como CaCO3, que está de acuerdo con los parámetros sugeridos. El calcio sigue estando un poco bajo y se puede solucionar con la adición de cloruro de calcio, pero es probablemente mejor mejor hacer una prueba de macerado con este perfil primero, medir el pH del macerado y ver como sabe la cerveza antes de ajustar nuevamente.
Opción 1b: Usando Ca(OH)2- método de RA Z.
El nuevo modelo Z sugiere que la alcalinidad Z del agua al pH Z necesita ser tenida en cuenta para determinar la correcta cantidad de alcalinidad adicional para lograr el objetivo de pH de macerado, mejor que la alcalinidad total tradicional. Para este ejemplo, vamos a usar un valor de pH Z de 5,4.
1. El primer paso es calcular CT del agua.
CT = Alcalinidad total/50 ÷ Δc0
El pH del agua agua era 9, refiriendo a la la figura 25, Δc0 = 0.01 - -1.04 = 1.03
CT = 100/50 ÷ 1.03 = 1.94
2. Calcular la alcalinidad Z y RA Z para el agua.
Z5.4 = CT x ΔcZ = 1.94 x (-0.1 - -1.04) = 1.82 mEq/L
3. Calcular los mEq/l de calcio y magnesio.
mEq/L Ca = 40/20 = 2 mEq/L
mEq/L Mg = 9/12.1 = 0.74 mEq/L
4. Z RA = 1.82 - (2/3.5 + 0.74/7) = 1.14 mEq/L
Queremos llevar esto a 150ppm como CaCO 3 o 3mEq/l por lo que necesitamos 3 - 1.14 = 1.86 mEq/L 1,86mEq/l va a ser necesario para llevar a 150ppm como CaCO 3.
5. Aplicando la misma metodología como en la opción 1a:
De la tabla 17: 1 gramo por litro de hidróxido de calcio contribuye con ΔRA de 19.3 mEq/g•L. por lo que 1.86 mEq/L/19.3 mEq/g•L = 0.096 gramos por litro de hidróxido
de calcio.
Notar que esta cantidad es mayor que que la adición calculada c alculada en la opción 1a.
Opción 1c: usando NaOH- método de RA de Kolbach. Kolbach .
El hidróxido de sodio es la base más fuerte y usarla para aumentar la alcalinidad va a aumentar la concentración de sodio del mínimo (¿se puede usar hidróxido de potasio para aumentar en 0 el sodio, pero cuál es la gracia de eso?)
1. Podemos usar la información calculada en el paso 1 del ejemplo 1a para comenzar. El cambio en RA necesario para llevarnos a un RA de 3mEq/l es 1,68mEq/l.
2. El hidróxido de sodio es una base fuerte y tiene una carga de 1mEq/mmol. De la tabla 17, el hidróxido de sodio contribuye con 25mmol/l por gramo, por lo que 25 mEq/g•L. Dividiendo 1,68 por 25 nos da el peso de la adición en gramos por litro de
hidróxido de sodio. Necesarios.
1.68/25 = 0.067 gramos por litro de hidróxido de sodio necesario para aumentar RA a 3mEq/l
3. Calculando el aumento en la concentración de sodio, 0.067 x 575 ppm = 38.5 ppm
Nota: esta adición de hidróxido de sodio puede también ser hecha usando una solución 1 Normal (N), como se describe en el capítulo 6 y el apéndice C. Una solución 1N contribuye con 1mEq/mililitro, por lo que la adición necesaria de 1,68mEq/l se va a resolver agregando 1,68militros 1,68militros de la solución por litro de agua.
Opción 1d. Usando NaHCO3- método de RA Z.
Vamos a calcular una adición de bicarbonato de sodio para el mismo ejemplo. Podemos usarla información de CT y la alcalinidad Z del ejemplo previo (1b):
CT = 100/50 ÷ 1.03 = 1.94 1.9 4 mmol/L en el agua
Z5.4 Alkalinity = CT • ΔcZ = 1.94 • ( -0.1 - -1.04) = 1.82 mEq/L
Z RA = 1.82 - (2/3.5 + 0.74/7) = 1.14 mEq/L
1. EL ΔcZ para la adición de bicarbonato es ((-0.1 - -1.0) porque el bicarbonato siempre comienza en -1,0mEq/mmol, independientemente del pH del agua. Por lo que ΔcZ= 0. 9 mEq/mmol.
2. EL CT del bicarbonato de sodio es 11.9 mmol/g•L . Multiplicando CT por ΔcZ = 11.9 x
0.9 = 10.7 mEq/L de alcalinidad Z por gramo de NaHCO Na HCO3.
3. Nuevamente, sabemos del ejemplo 1b que necesitamos 1,86mEq/l para llevarlo a 3mEq/l, por lo que dividimos 1,86 por 10,7mEq/l por gramo de NaHCO 3 para tener el peso de la adición por litro:
1.86/10.7 = 0.174 gramos por litro
4. 0,174 gramos por litro nos da un adicional 0.174 x 273.7 = 47.6 ppm + 140 ppm = 187.6 ppm Na, lo cual va al extremo. Si hemos calculado la adición de bicarbonato usando el método de Kolbach, del ejemplo 1a, la adición de bicarbonato de sodio debiera haber haber sido 11,8mEq/l en vez de 10,7, y el número resultante resultante sería sería 0,158 gramos por litro y 43ppm de sodio adicional.
Como puedes ver, hay muchas opciones y permutación de opciones para calcular las adiciones de alcalinidad. Lo más sencillo (directo) es usar Kolbach. Lo más complejo es usar la alcalinidad Z y bicarbonato de sodio. El método que se usa depende de uno. El método no es lo que importa. Lo que importa es que puedas ser capaz para determinar un estimado de los que se necesita hacer y después hagas la cerveza, midas el pH de macerado resultante y pruebes la cerveza para evaluar los resultados, y repetir hasta estar satisfecho.
Opción 2: Hacer una cerveza diferente.
El agua puede trabajar mejor para una American Stout por el carácter fuerte a lúpulo y el alto sulfato en el agua. Sin embargo, el alto contenido de sodio combinado con alto sulfato se sabe que crea un amargo áspero, por lo que tal vez una cerveza agresivamente lupulada lupulada no sea una u na buena idea. Una American amber ale pude ser una buena opción. Menos lupulada que la American Stout, este estilo contiene maltas de caramelo medio para la acides, 13SRM y el rango de RA es 0-60.
El agua con el que comenzamos: 40 ppm Ca 9 ppm Mg 100 ppm alcalinidad total 140 Na 60 ppm Cl245 ppm SO4 -2 pH = 9 66 RA (calculado) Agua objetivo: 50-150 ppm Ca (bajo) 40-120 ppm alcalinidad total (chequeado) 100-200 SO4-2 (alto) 50-100 Cl- (bajo) 0-60 RA (alto) La acidificación es generalmente no recomendada para esta categoría. Notar que hemos agregado calcio y cloruro para aumentar la dureza y balancear el sulfato impactar negativamente el rango sugerido de RA.
1. Vamos a comenzar agregando 1 gramo de cloruro de calcio cada 3,78 litros (72Ca, 127,4 Cl-). Esta adición cambia el perfil de agua a:
Agua ajustada (1): 112 ppm Ca 9 ppm Mg 100 ppm alcalinidad total 140 Na
187 ppm Cl245 ppm SO4-2 15 RA (calculada) (Ver los ejemplos previos para los cálculos) Esta agua es mejor. Se ajusta al perfil sugerido para alcalinidad residual pero no es mucho mejor en general. El calcio es ahora alto y RA es ahora un poco menor para el color que intentamos tener (15-18). Las concentraciones de sodio, cloruro y sulfato son altas, lo cual puede hacer a la cerveza saber mineral.
2. Probemos con solo 0,5 gramos cada 3,78 litros de adición de cloruro de calcio.
Agua ajustada (2): 75 ppm Ca 9 ppm Mg 100 ppm alcalinidad total 104 Na 89 ppm Cl245 ppm SO4-2 40 RA (calculada) Esta agua es mucho mejor. El calcio y la alcalinidad residual ahora están mejor relacionadas con el color, y el cloruro esta en rango. Hemos hecho lo mejor a partir de una situación pobre. Hacer la cerveza y probar los resultados antes de explorar otras opciones (como comprar agua sin ablandar).
Perfiles de agua y la caja negra.
Es interesante que muchos aspectos de la elaboración de cerveza sean dejados al arte, en vez de desarrollar su ingeniería hasta el último detalle. ¿Porque solo tenemos recomendaciones generales para las concentraciones de iones en el agua? ¿Por qué no saber, en la edad dorada de la tecnología, las cantidades específicas y tipos de iones que son utilizados en el proceso de fermentación? ¿Porque no tenemos una lista completa de cada nutriente y cofactores de reacción? Tal vez es porque la fermentación funciona y hay problemas más grandes para resolver. Tal vez hay una
gran cantidad de combinaciones de contenidos de minerales y otros parámetros que producen una buena cerveza. Cualquiera sea la razón, el proceso de macerado y la fermentación siempre han sido sido dejados a algo de “caja “caja negra” cuando se trata de la
composición del agua. El término “caja negra” significa que podemos predecir el resultado basados en las entradas pero no sabemos completamente que es lo que pasa en el proceso. Como sabemos sobre el agua para elaborar cerveza es que ciertas concentraciones e iones son recomendadas, no nos importa que concentraciones resulten luego del proceso o como las concentraciones de iones en la cerveza terminada afecta afecta el sabor de la cerveza. Parece Parece ser que solo sabemos el efecto de la concentración concentración inicial en la cerveza. Además, muy poca investigación se ha hecho sobre la contribución de iones de la malta sobre la performance de la cerveza. La tabla a continuación muestra la información presentada por Taylor para una cerveza toda malta con una densidad e 1,040 fue elabora con agua destilada. Es interesante notar que la concentración concentración de magnesio es es de 70ppm en el mosto y 65ppm en la cerveza. Aparentemente, 5ppm son consumidas, se pierden o salen en el camino. El magnesio se dice es un importante co-factor co-factor enzimático y nutriente nutriente para las levaduras, levaduras, y hay al menos un trabajo que dice que es necesario un mínimo de 5ppm de magnesio para el buen desempeño de las levaduras. ¿Puede un mosto con solo 5ppm de magnesio macerar y fermentar tan bien como uno de 70ppm? ¿O hay un nivel, por ejemplo, un nivel minimo de 50 se necesita en solución pero solo un 4% se va a consumir? Esto no lo sabemos definitivamente, y sería interesante saber más.
Contenido de iones iones en un mosto (10ºP) (10ºP) y cerveza usando agua desmineraliza. desmineraliza.
Constituyente Constituy ente
Mosto (mg/l)
Cerveza (mg/l)
Na+1
10
12
K+1
380
355
Ca+2
35
32
Mg+2
70
65
Zn+2
0,17
0
Cu+2
0,15
0,12
Fe+3
0,11
0,07
Cl-
125
130
SO4-2
5
15
PO4-3 (libre)
550
389
PO4-3 (total)
830
604
Referencias.
1.
Brungard,
M.,
“Water
Knowledge.”
https://sites.google.com/site/bru https://sites.google.com/site/brunwater/waterknowledge, nwater/waterknowledge, 2013. 2013.
2. Steele, M., IPA—Brewing Techniques, Recipes, and the Evolution of India Pale Ale. Brewers Publications, Boulder, CO, 2012.
3. Bamforth, C.W., “Inorganic Ions in Beer—A Survey.” MBAA TQ Vol. 49, 4:131-133,
2012.
4. Priest and Stewart, Handbook of Brewing, 2nd Ed., Chapter 4-Water. D.G. Taylor, CRC Press, 2006.
8 Tecnologías para el tratamiento de la fuente de agua para cervecería. El agua es uno de los insumos más importantes a controlar en una cervecería. Es el principal constituyente de la cerveza, siendo al menos del 90% en la mayoría de los casos. Es vitalmente importante que el cervecero evalúe la fuente de agua cuando elige una ubicación para la cervecería porque una vez que se construyo la cervecería, hay muy poca o nada de chances de tomar una fuente diferente de agua, debe hacer lo mejor con lo que se tiene. La responsabilidad del cervecero por la calidad del agua sobrepasa la que tiene sobre cualquier otro ingrediente. De hecho, es el único ingrediente principal por el cual el cervecero es específicamente responsable. Un malteador es responsable por las malta. Un productor d lúpulos es responsable por el lúpulo y un laboratorio de levaduras es típicamente responsable por los cultivos puros. Es la responsabilidad del cervecero entender su fuente de agua y ser capaz de modificarla, si es necesario, para hacer consistentemente buenas cerveza, a lo la rgo de todo el año. Un cervecero necesita agua de alta calidad que puede ser rápidamente usada para las necesidades de la cervecería, en el macerado, el hervido o en la limpieza. El agua debe estar libre de malos sabores y olores o el cervecero debe tener las herramientas para acomodar eso. La clave para tener agua de alta calidad es conocer
la fuente de agua, se capaz de reconocer cambios y adaptarla para mantener la cualidad de la cerveza. Mientras que esto puede ser una tarea demandante para un cervecero novato, con el tiempo, estudio y experiencia se pude volver secundaria. Los requerimientos generales para el suministro de agua de la cervecería son simples. El agua debe ser potable y libre de contaminantes. Hoy en día, la potabilidad no es un problema pero una razón para la popularidad de la cerveza a lo largo de la historio fue el hecho de que el proceso de elaboración de cerveza dejaba el agua local biológicamente segura para tomar. El problema más común con el agua para los cerveceros hoy en día es el potencial de malos olores en la cerveza debido a contaminación química/industrial o subproductos de la desinfección del agua (DBP). El problema tiene dos aristas: 1) como reconocer los contaminantes y 2) como eliminarlos. Los contaminantes de la fuente de agua y sus efectos fueron discutidos en el capítulo 3. Este capítulo se enfoca: en los métodos y herramientas para remover estos contaminantes. Vamos a presentarlos en la misma manera en que ocurren en un tratamiento estándar de agua: remoción de sólidos suspendidos, remoción de sólidos disueltos y remoción de contaminantes líquidos y gaseosos.
Figura 28: pantalla rotativa en Sierra Nevada Brewery.
Remoción de sólidos suspendidos. Filtración mecánica.
La remoción de partículas es un paso importante del tratamiento tanto para el pre-tratamiento del agua como del tratamiento del agua residual. En el caso del pretratamiento del agua, el agua cruda es típicamente pasada por un filtro rápido de arena o filtros de arena y carbón. Estas son usualmente grandes instalaciones, como para un pueblo o ciudad. Si el cervecero tiene problemas con sólidos suspendidos, la solución generalmente es un pequeño filtro, típicamente de granulometría media, fibras de polimero u otros medios reemplazables o recargables. Los cartuchos de filtro pueden venir en muchas formas, como gránulos empacados, placa plana, tubular o
espiral enrolladlo. Los filtros granulares utilizan un medio granular como arena o polvo de diatomea, para crear una cama de filtrado. Los filtros espirales enrollado utilizan fibras para crear un matriz que atrapa y obstaculiza las partículas. Los filtros se catalogan como estándar o absolutos. Un filtro estándar va a atrapar el 99% de las partículas en su rango de tamaño, un filtro absoluto no va a dejar pasar ninguna partícula de mayor tamaño que su rango. Los filtros también son clasificados por la temperatura porque muy altas temperatura pueden causar la prematura ruptura del medio del filtro. El monitoreo de un aumento de presión entre la entrada y salida del filtro te puede dar una indicación de cuando el filtro necesita ser cambiado. Los filtros de sólidos suspendidos son comúnmente usados para pre acondicionar el agua antes de la filtración con carbón u osmosis inversa para suministros típicos típicos de agua potable
Removiendo sólidos disueltos. Hierro y manganeso.
El hierro y el manganeso pueden causar muchos problemas más allá de turbidez, mal sabor y envejecimiento prematuro. Ambos iones son típicamente removidos en las etapas tempranas del tratamiento de agua municipal por la oxidación en sus formas insolubles, lo cual permite luego que sean filtrados del agua. Sin embargo, incluso concentraciones remanentes muy pequeñas de estos iones pueden causar deposiciones y problemas de corrosión en los sistemas de hervido e intermediadores intermediadores de calor. Una simple forma para remover el hierro es unirlo con fosfatos. Este es un enlace débil que puede ser roto por calentamiento o luz fuerte, pero esto lo convierte en una forma insoluble mediante la cual puede ser decantada o filtrada. Algunas cervecerías comerciales pequeñas han dosificado el agua que llega con acido fosfórico y la usan primero en el sistema de enfriado del licor. Esto causa la precipitación del fosfato de hierro y se puede asentar en la noche. EL agua limpia se puede transvasar al día siguiente para usarla en el licor caliente para el siguiente lote. El recipiente de decantación decantación necesita tener un desagote en el fondo para drenar los precipitados y una salida para sacar el agua limpia. EL precipitado en el fondo del tanque va a concentrar hierro y yeso por lo que es importante limpiarlo seguido.
Un cervecero casero puede usar este mismo método para sedimentar el hierro del licor mediante la acidificación del agua con acido fosfórico a un pH entre 5,5 y 5,7 y refrigerando el contenido toda la noche. Hay que tener cuidado de no mover el sedimento cuando se saca el licor limpio. El manganeso es difícil de oxidar con la típica aireación. Usualmente requiere un oxidante mas fuerte como cloro/hipoclorito. Esto es porque los depósitos de oxido de manganeso son un problema en los sistemas de enfriado de agua., los cuales usan estos químicos para prevenir daños bio contaminantes-in c ontaminantes-incrustaciones. crustaciones. La oxidación de manganeso es auto catalizada, significa que una vez que se forma, la deposición de acelera. Es un depósito extremadamente duro y tenas, requiriendo métodos agresivos mecánicos y químicos para removerlo. Es más noble que el acero inoxidable y va a causar corrosión galvánica y picaduras de acero por debajo de las deposiciones de manganeso. El manganeso puede ser removido por la filtración con arenas verdes. La arena verde es una sustancia que se da naturalmente, que contiene el mineral glauconita, el cual es capaz de reducir el hierro, manganeso y sulfuro de hidrogeno del agua por medio de la oxidación. Cuando la capacidad de oxidación de la cama de arenas verdes esta exhausta, la cama puede ser regenerada con una solución débil de permanganato de potasio (KMnO 4) Los tratamientos para el manganeso, hierro y sulfuro de hidrogeno pasado en las arenas verdes están disponibles actualmente. Hay sistemas de medio granular que pueden ser monitoredos y mantenidos como los de ablandamiento de agua por intercambio iónico. El hierro y manganeso también pueden ser removidos por sistemas de intercambio iónico. De hecho, todos los iones se pueden, de una forma u otra.
Removiendo sólidos disueltos. Intercambio iónico.
Los sistemas de intercambio iónico utilizan camas de polímeros que son hechas para contener tantos sitios de intercambio cationes como iónicos en el esqueleto polimérico. Mientras que las perlas parecen solidas bajo un microscopio, su estructura molecular más de cerca parece una bola de lana, permitiendo la permeabilidad del agua y una gran superficie para el intercambio iónico. Durante el uso, el agua fluye a
través del medio de la cama y a través de las perlas impregnadas de resina, donde los iones indeseables en el agua son intercambiados con aquellos de la resina y atrapados a la vez. Estos sistemas tienen la ventaja de altas tasas de flujo, baja presión y relativamente fácil mantenimiento, siendo algunos mejor para algunas tareas que otros. Una desventaja general de los sistemas de intercambio iónico es el desecho altamente salado producido por el proceso de regeneración.
Figura 29. El ablandador de agua en Kinetic Brewing Co. en Lancaster, CA
Cuatro tipos de resinas intercambiadores de iones están disponibles: intercambiador catiónico acido débil, intercambiador catiónico acido fuerte, intercambiador aniónico base débil e intercambiador aniónico base fuerte. Cada tipo de intercambiador tiene sus ventajas para diferentes especies que el cervecero quiere remover. Ver tabla 20. La nomenclatura viene de la teoría de ácidos, la cual dice que la base conjugada de un acido fuerte es una base débil y que el acido conjugado de una base fuerte es un acido débil, y viceversa. v iceversa. En otras palabras, si el hidróxido de calcio es considerado una base fuerte (lo es), entonces es un acido débil. Una resina catiónico acido débil remueve calcio y magnesio porque estos son los cationes del acido débil del hidróxido de calcio y magnesio.
Tabla 20: Ventajas y desventajas de los tipos t ipos de resinas de intercambio iónico.
Tipo
Ventajas
Desventajas
Catiónico
Dos tipos: H+ y Na+
La
de
Buenas para remover todos los iones de metales
monitorear.
débil
divalentes incluidos los iones de dureza Ca +2, Mg +2
Propenso a daos por sulfato de
(WAC)
y el objetable Fe+2 y Mn+2.
calcio.
Solo remueve dureza temporaria, no permanente.
Sensible
Uso eficiente de químicos de regeneración.
cloro/cloramina
Catiónico
Dos tipos: H+ y Na+.
Sensible
de
Operar en todo el rango de pH.
cloro/cloramina.
fuerte
Mas común para remover dureza (Na+) o todos los
Sensible a shock térmico.
(SAC)
cationes (H+).
Alta salida de sodio para el tipo Na +.
acido
acido
regeneración
a
a
es
difícil
contaminación
contaminación
de
de
de
Vida larga de la resina de 10-15 años.
Propenso a daños por hierro, sulfato de calcio y aluminio.
Aniónico
Remueve la mayoría de los aniones pero no CO2 o
Los efluentes contienen SiO2, por lo
de
SiO2.
que no es recomendable para el
Mas económica que la SBA
uso en hervido. he rvido.
Aniónico
Remueve todos de los aniones incluyendo CO2 y
Requiere cauticos fuertes para la
de
SiO2.
regeneración.
base
débil (WBA)
base
fuerte
Menor tiempo de vida, de 2-5 años
(SBA)
Catiónico de acido débil. Ablandador común de agua.
Las resinas cationes de acido débil y fuerte son muy similares, la diferencia principal es grado de ablandamiento que cada una puede lograr. Los sistemas WAC solo van a remover calcio y magnesio asociado a bicarbonato (dureza temporal) y solo bajo condiciones alcalinidad (agua potable), mientras que SAC va a remover todo el calcio y el magnesio a cualquier pH. Los sistemas WAC son comúnmente usado para tratar agua salobre o para el pulido de efluentes de ablandado con cal. Son propensos a los mismos problemas de degradación que las resinas SAC.
Catiónico de acido fuerte. Ablandamiento completo del agua.
Un típico ablandador de agua SAC trabaja intercambiando todos los iones metálicos divalentes en el agua por iones sodio. SAC de tipo Na + tienen una cama de resina que esta iniciálmente cargada con iones Na + (monovalentes). A medida que los iones divalentes (Ca 2+, Mg 2+, Fe 2+, and Mn +2) pasan por la cama, estos se cambian por los iones monovalentes debido a su mayor afinidad por la resina. El ablandador de agua también contiene un reservorio de sal que debe d ebe ser recargada regularmente. Una vez que la cama de resina está completamente exhausta, se enjuaga con sal muerta para desplazar los iones metálicos colectados de la resina y el proceso puede comenzar
de nuevo. Si bien es más caro, el cloruro de potasio puede ser usado en lugar de cloruro de sodio para evitar los efectos negativos en la salud del agregado de sodio. Las resinas SAC también vienen con H + como ion de intercambio y esta forma puede remover todos los cationes del agua contribuyendo solo con iones H + al agua. Esto las hace más recomendables para aplicaciones de agua de alta pureza como alimentar la caldera. Obviamente, SAC del tipo de sodio no debería ser usadas en la cervecería para la producción del licor para elaborar cerveza salvo que sean usadas como un pre tratamiento para un sistema de de-ionizado u osmosis inversa. Los altos niveles de sodio son preferibles a los altos niveles de calcio en el tratamiento de osmosis inversa porque el sodio es altamente soluble y menos propenso a precipitar en la membrana. El carbonado de calcio es más fácil que precipite en las membranas de RO y lleve a fallas del sistema prematuras.
Aniónico de base débil. Tratamiento de des alcalinización. alcaliniza ción.
La reducción de la alcalinidad es la eterna pregunta de los cerveceros y el intercambio iónico provee un modo probado y verdadero de lograrlo. Los intercambiadores SBA también pueden remover sílice, el cual puede ser un problema en los sistemas de caldera/ intercambiadores de calor. Un intercambiador WAB remueve los aniones de ácidos fuertes (Cl -, SO4-2, NO3-) usando hidróxido. Estas unidades generan dióxido de carbono, el cual debe ser ventilado o purgado par a evitar corrosión, y estos no remueven silicatos. silicatos. El par SAC y WBA hacen una buena combinación para pre tratar el agua para los sistemas de osmosis inversa. Esta combinación tiene una gran capacidad de tratamiento y eficiencia de regeneración. regeneración.
Aniónico de base fuerte. Tratamiento de des alcalinización.
Este tipo de sistemas remueve tanto aniones de ácidos fuertes como débiles, incluyendo carbonatos, silicatos y nitratos (con opción especial de resina). SBA se
puede combinar con SAC y usa el anión del acido o hidróxido de sodio para la regeneración. Una combinación SAC/SBA va a producir agua recomendable para calderas de alta presión. Asumiendo la atención adecuada a los detalles y pre tratamientos, este proceso es capaz de producir agua con menos de 0,01mg/l. El lado oscuro de SBA es que requiere un montón más de químicos para la regeneración que un sistema WBA. Los sistemas SBA también pueden usar cloruro como intercambiador en vez de hidróxido. Estos sistemas no son tan intensivos en químicos y trabajan muy bien reduciendo la alcalinidad. De todos modos, cuando se combinan con SAC usando sodio en vez de H +, la salida es una levemente salada y puede ser corrosivo para las cañerías de acero inoxidable. Siempre hay una contra en cada lado positivo, por así decirlo. La resina SBA es particularmente propensa a fallar por moléculas orgánicas, no solo contaminantes industriales como los solventes y aceites, sino que también ácidos fúlvicos y húmicos que ocurren naturalmente de la vegetación en decaimiento en el agua superficial. Las unidades WBA son menos afectas por este tipo de fallas y pueden ser usadas para remover los orgánicos delante de una unidad SBA si se necesita.
Intercambio iónico. Reactores de cama mixta.
Si bien varios sistemas de intercambio catiónico e iónico han sido discutidos, los sistemas de cama mixta conteniendo tanto SAC (tipo H) como SBA (tipo OH) están disponibles que combinan la funcionalidad de ambos: los cationes son intercambiados por iones de hidrogeno, los iones son intercambiados por iones hidroxilo. Si los cationes e iones esta balanceados, el intercambiador libera cantidades iguales de hidrogeno e hidroxilo que se combinan para formar agua. La desventaja de un sistema de cama mixta es que una vez que las resinas se gastaron debe ser recargada mediante el lavado con ácidos y bases fuertes. Este ciclo puede ser caro y no muy amigable con el medioambiente. Las unidades de cama mixta son usadas comúnmente para pequeñas cantidad de agua pura. Algunos cerveceros caseros usan este tipo de unidad, obtenidas de tiendas para acuarios, para preparar el licor para elaborar cerveza. Las cervecerías pequeñas (20bbl o menos) pueden adquirir filtros de cama mixta en una base de intercambio. intercambio. Un filtro alquilado de cama mixta va a durar para 3000-7500litros
de agua dependiendo del TDS de la fuente de agua. Las compañías van a cargar un alquiler y un costo de remplazo. La conductividad de la fuente de agua puede ser medida y comparada con la conductividad del agua de Salida para establecer un estándar para una cervecería o marca especifica. La conductividad del agua de salida puede ser monitoreada para comprobar cuando un des-ionizador necesita ser recargado.
Remover sólidos disueltos. Nano filtración y osmosis inversa.
Figura 30: El sistema de osmosis inversa inversa para la fuente de agua en Stone Brewing Co., en Escondido, CA
La micro filtración, ultrafiltración, nano filtración y osmosis inversa se conocen como tecnologías de membrana porque utilizan un film fino que q ue actúa como filtro para sólidos disueltos. Las partículas más pequeñas de sedimento y solido suspendido que los típicos filtros de arena pueden filtrar son de 10micrometros en diámetro. La micro filtración puede remover células de levaduras y la mayoría de las bacterias de hasta 0,1 micrómetros. La ultrafiltración lo pude hace 10 veces mejor, hasta 0,01micrometros, filtrando los virus. La nano filtración lo hace 10 veces mejor que la ultra y puede filtrar proteínas e iones disueltos, pero la osmosis inversa le gana a todos, hasta 0,0001micrometros, y es capaz de filtrar la mayoría de los cationes e iones disueltos pero no los gases disueltos. Estas membranas pueden ser hechas de acetato de celulosa o film de compuesto de poliamida. Los films de poliamida son mas efectos filtrando sílice e iones monovalentes (pequeños) (pequeños) pero también muy susceptible a la oxidación y rompimiento del polímero (agujeros) por cloro, cloramina y otras oxidantes. El acetato de celulosa es un poco más robusto y es usado generalmente en situaciones de altas impurezas. La osmosis es la difusión del agua a través de una membrana semipermeable de una región de baja concentración de solutos a una región de alta concentración de solutos. Pensar en la presión osmótica como una fuerza que trata de igualar las cosas, llevar dos sistemas adyacentes a la misma concentración de solutos mediante el pasaje
de agua a través de la membrana al lado “más seco” (en realidad la presión es debida a las diferencias en potencial químico más que concentración, c oncentración, pero para hacer una idea). La osmosis inversa significa que estamos aplicando suficiente presión al lado de altos solutos para sobreponerse a la presión osmótica y concentrar los solutos aun más. En realidad todas estas tecnologías de membrana dependen de la aplicación de presión para sobreponerse a la presión osmótica natural de cualquier sistema dado. La diferencia es el tamaño de partícula que es bloqueado por la membrana. Obviamente, “la filtración por osmosis inversa” requiere la mayor presión en comparación con los
otros métodos, típicamente en el rango de 10-15 bares, dependiendo de los solutos, temperatura, pH, etc. etc. (1 bar es más o menos 1 atmosfera de presión). Los sistemas de osmosis inversa pueden ser muy simples (no tienen partes móviles) y pequeños sistemas son vendidos en tiendas para el hogar y para acuarios a precios razonables. Los sistemas grandes se usan en operaciones de cervecerías comerciales para tratar alta alcalinidad o agua salobre, especialmente en zonas áridas del mundo como áfrica o el medio oeste. Los grandes sistemas utilizan típicamente bombas de alta presión y niveles de cartuchos de membranas más grandes que los sistemas pequeños. Un sistema típico primero pasa el agua a través de un filtro o filtros de partículas (5 y 1 micrones son tamaños típicos) y después por un filtro de carbón activado. El filtro de carbón remueve orgánicos, cloro y cloramina, que pueden dañar o contaminar la membrana RO. El agua luego pasa a un cartucho de membrana. Los cartuchos usan la filtración de flujo cruzado, donde el filtrado es extraído por el costado mientras
que la mayoría del agua continua hasta la salida
(drenaje/desperdicio) y elimina el contenido iónico concentrado. Una válvula de salida restringe el flujo, manteniendo la presión alta en la membrana. Un operador puede contralar esta válvula para justar la presión y tasa de flujo del agua residual (referido como “concentrada” o “sal muera”) para un mejor eficiencia.
Los sistemas simples vendidos para uso domestico no tienen esta característica. característica. La carcasa del cartucho tiene un orificio unido para limitar el fluyo de agua y crear la alta presión osmótico inversa en la membrana. La carcasa también incluye un colector de salida para el agua filtrada que pasa la membrana (es decir, el filtrado). EL filtrado pasa a un tanque de presión o tanque abierto (tanque a presión atmosférica). Los tanques de presión tienen una cámara presurizada. A medida que el filtrado entra al
tanque, el aire en la cámara es comprimido y la presión en el tanque aumenta. Cuando la presión del tanque mas la presión osmótica iguala la presión del lado de alimentación, no más agua pasa por la membrana y la recolección se para. Estos sistemas tienen generalmente generalmente un interruptor de presión monitoreando la presión de la cámara del tanque que opera una válvula para cerrar la alimentación y/o las líneas de concentrado cuando el filtrado no está siendo colectado par aprevenir el desperdicio de agua. La ventaja del tanque de presión en estos sistemas pequeños es que puede ser conectada a una canilla conveniente para llevar agua RO para tomar o cocinar. Mientras que el sistema de tanque de presión es manejable para volúmenes pequeños, es menor su tasa de filtración debido a que reduce la diferencia de presión a través de la membrana a medida que el tanque se llena. El agua puede ser obtenida más rápidamente desconectando el tanque de presión o dejando la canilla abierta y colectando el agua en otro recipiente abierto. Las críticas hechas a los sistemas RO es que usualmente una relación alta entre la producción de concentrado y filtrado. Típicamente, menos del 20% del suministro de agua es captura como filtrada en un sistema típico hogareño. Esto significa que por cada 3,78litros que entran en el HLT, 15,7 litros son desperdiciados. Este puede ser un factor importante dependiendo de la fuente de agua, si es una fuente de agua dulce o el océano. En sistemas más elaborados la recolección (la fracción del agua suministrada recuperada como filtrado) puede se apreciablemente mayor, tan alta como el 80% o incluso más, pero esta alta tasa de recolección vienen con el costo de mayor contenido de iónico en el filtrado y sal muera más concentrada. La eliminación de la sal muera es muchas veces un problema, así sea bajos volúmenes de alta concentración concentración o grandes volúmenes de baja concentración. Otras críticas involucran el alto costo del remplazo de membranas. La protección de de pre filtrado con con carbón del cloro y cloramina cloramina y el ablandado ablandado catiónico para evitar la deposición de carbonato de calcio ya han sido mencionadas. Pero otros minerales se vuelven concentrados en la sal muera y esto, dependiendo de la química del suministro de agua, puede imponer límites a la máxima capacidad de recuperación. Los filtros RO pueden pueden infectarse con con microorganismo debido debido a que los desinfectantes desinfectantes residuales de cloro/cloramina deben ser removidos de antemano. Un paso final a
través de un filtro estéril (micro o ultra) o esterilización con luz UV es recomendado, como también un des aireador si se requiere utilizar el agua RO para una dilución post hervido. Los tanques y cañerías después después del filtrado RO deberían ser hechos hechos de plástico (PVC o PEX) debido a que el agua de-ionizada es altamente corrosiva. El agua RO es una buena opción cuando el cervecero necesita remover alcalinidad. RO también es buena para remover elementos problemáticos como manganeso, silicatos y hierro. Sin embargo, algunos de estos elementos son responsables de dañar las membranas, llevando a presiones de trabajo más altas, mayor caída de presión entre las membranas y baja tasa de filtrado. Otros elementos dañinos son orgánicos, microorganismos, coloides e incrustaciones de carbonato. Tener una unidad de intercambio iónico por delante de un sistema RO para reducir la carga en las membranas puede mejorar la eficiencia general y reducir el mantenimiento mantenimiento total. t otal. Como concentraciones moderadas de iones son deseables en el agua para elaborar cerveza, la habilidad de RO de sacar casi todo el contenido iónico del agua puede ser contraproducente. ¿Por qué sacar todo y después agregar algunos de vuelta? Las membranas de nano filtración más permeables son más eficientes en cuanto a energía y agua mientras proveen reducción de la alcalinidad efectiva y a la dureza. La nano filtración también es conocida como membranas de ablandado ya que esta membranas son mucho mejores para retener los iones divalentes grandes (como Ca+2 y SO4-2) mientras que los iones monovalentes más pequeños pasan más fácilmente (como Na + y Cl-). Si bien la calidad del agua por membranas de nano filtración es menos menos pura que la producida por por las membranas RO, la la concentración concentración final de iones igualmente baja. Las membranas RO típicamente repelen el 95% o más de todos los iones mientras que la nano filtración repele típicamente entre el 80 y 90%. Un sistema de nano filtración es típicamente capas de una reducción del 80% de sodio de un agua proveniente de un intercambiador iónico, llevando el nivel de <200ppm de sodio a <40ppm. Concentraciones más altas en el agua en la alimentación de agua van a resultar en concentraciones más altas en el filtrado. Todos los otros iones en el filtrado tienen concentraciones muchos menores. SI la repulsión del sodio no es suficiente para lograr las necesidades de la cervecería, usar una fuente de agua no ablandada o membranas RO son alternativas para lograr agua más pura.
La ventaja de la nano filtración es que provee agua blanda para limpieza sin aumentar significativamente los sólidos total disueltos en el agua residual, el cual puede ser un problema para el intercambio iónico y ablandamiento ablandamiento con cal. En muchos casos, la nano filtración puede proveer agua de aceptable calidad con un mejor rendimiento económico. La diferencia económica va a depender de las circunstancias específicas: concentración de TDS, composición de los TDS y límites de aceptación del filtrado. Muchas grandes cervecerías ahora usan nano filtración en vez de RO para las necesidades de sus desechos. Las membranas de nano filtración están disponibles para equipos comerciales en los mismos diámetros de cartucho (2,5, 4 y 8 pulgadas) que están disponibles para las membranas RO. En este momento, las membranas de nano filtración no están disponibles para ajustarse a los típicos sistemas caseros de RO. La disponibilidad relativamente reciente de RO económicos presenta una oportunidad tremenda para cerveceros caseros caseros y comerciales. Mientras Mientras en el pasado pasado el énfasis estaba puesto puesto en ajustar el agua en el macerado o en la olla para lograr un cerveza apta (y por lo que mucho del material de este libro refleja eso), el paradigma ahora puede cambiar a preparar la fuente de agua que sea adecuada para todas las cervezas que se van a elaborar. La preparación es mucho más simple que solucionar problemas.
Remoción de líquidos y gases contaminantes. Cloro.
La contaminación microbiología es la mayor preocupación de cualquier suministro de agua municipal. Estos contaminantes pueden ser bacterias u otros organismos como cryptosporidium y giardia intestinalis. La desinfección residual es necesaria para proveer de protección constante después que el agua deja la planta de tratamiento. Un buen desinfectante es un desinféctate fuerte y persistente, uno que no pierda efectividad a lo largo del tiempo cuando el agua esta estacionada en un tanque o cañería. Las regiones de bajo flujo de las cañerías o “tramos muertos” pueden ser un problema particular en las cervecerías porque el cloro/cloramina residual ha sido removido para prevenir de los malos sabores en la cerveza, como los clorofenoles. Las bacterias pueden formar depósitos o biofilms en las regiones de bajo
flujo que son posteriormente difíciles de desinfectar debido a que el espesor del depósito puede prevenir que los limpiadores y sanitizantes alcancen la colonia entera. De todos modos, con buenas prácticas de sanitización en la cervecería, eliminar el cloro y cloramina en el primer paso es el desafío. El desinfectante de cloro es tanto agregado como “cloro libre” o cloramina. EL agua debe ser clorada en varios etapas en
el tratamiento inicial y el nivel de clorado puede ser ajustado a lo largo del año. El cloro libre es el método más viejo de cloración que produce iones de hipoclorito en el agua para oxidar y matar organismos. Cuando el cloro se disuelve en el agua la siguiente reacción tiene lugar: Cl2 + H2O ↔ H+1 + Cl-1 + HOCl (acido hipocloroso)
Los reportes de agua a menudo tienen el cloro como “cloro libre” o “cloro residual”. Las definiciones son las siguientes:
Cloro libre = 2[Cl 2] + [HOCl] + [OCl -1] Cloro combinado= [NH2Cl] + 2[NHCl2] +3[NCl3] Cloro residual = cloro libre + cloro combinado A pH por debajo de 7,6, el HOCl prevalece sobre el OCl -1. El HOCl es un mejor oxidante y es mas capas para penetrar la membrana celular de los microbios por su carga neutral. También es un mejor germicida. EL hipoclorito es agregado al agua mediante el agregado de hipoclorito de sodio, hipoclorito de calcio o mediante el burbujeo de cloro gaseoso a través del agua. El ion de hipoclorito (cloro libre) es altamente volátil y puede ser removido del agua por calentamiento o simplemente permitiendo que el agua este a temperatura ambiente en un contenedor abierto por un periodo largo de tiempo. Afortunadamente Afortunadamente para los cerveceros, el simple hecho de calentar el agua para lograr la temperatura en una olla abierta va a hacer que se libere la mayoría del cloro libre. Sin embargo, solo es necesario cantidades muy pequeñas de cloro libre en el agua para pa ra producir clorofenoles perceptibles en la cerveza. Desafortunadamente, Desafortunadamente, el hipoclorito también puede reaccionar con compuestos orgánicos de la vegetación y formar compuestos potencialmente cancerígenos,
conocidos como subproductos de la desinfección (DBPs). Muchos de estos compuestos orgánicos se producen naturalmente y se encuentran en fuentes de agua superficial como lagos o arroyos. Estos DBPs son indeseables en el suministro de agua potable y son controlados por regulación medioambiental, y en el caso de los Estados Unidos por la Water Act. Las cloraminas son menos propensas a formar DBPs, por lo que las compañías usan frecuentemente cloramina en lugar de cloro. Desafortunadamente, la cloramina tiene un umbral más bajo de olor (3-5ppm) que el cloro (5-20ppm) y es mayor responsable de olor a cloro en las piletas. Pero, algunos de estos DBPs, como THM y HAA5, tienen un umbral de olor y sabor en partes por billón en la cerveza, típicamente a pescado o estanque. Las cloraminas son creadas mediante la combinación de cloro y amonio en agua. Las cloraminas existen en formas mono, di y tricloraminas, pero la forma predominante es la monocloramina. Ha sido usado para la desinfección de agua potable desde el 1900 cuando se encontró que proveía de un desinfectante más estable en los sistemas de distribución de agua. Desde que los efectos tóxicos del las DBPs del cloro se descubrieron en 1970, cloraminas se convirtieron en el nuevo estándar para la desinfección de los suministros de agua con alto contenido orgánico. Se mantiene en solución más tiempo, independientemente de la carga de orgánicos y por lo tanto trabaja mejor como desinfectante desinfectante residual. La cloramina es usada ahora en la mayoría de las grandes plantas de tratamiento de agua, aunque haya preocupación de que que las cloraminas igual causen causen niveles más altos que los deseables de DBPs. Por lo que otros procedimientos de desinfección como ozonización y tratamientos con luz ultravioleta están siendo usados en algunas plantas. Desde que el tratamiento de hervido hervido requiere energía y tiempo, las opciones más económicamente efectivas para remover cloro y cloramina son la filtración con carbón activado (GAC) o el tratamiento t ratamiento con meta bisulfito.
Remoción de cloro/cloramina con meta bisulfito.
Los viñateros han usado por largo tiempo el meta bisulfito de sodio y potasio (conocidas como tabletas Campden) para reprimir las levaduras salvajes en el vino.
También es útil como antioxidante en la cerveza. Sin embargo, es más útil para eliminar el cloro y cloramina del agua. El meta bisulfito forma dióxido de sulfuro cuando se disuelve en agua de acuerdo a la siguiente reacción: K2S2O5 + H2O → 2K+1 + 2SO2 + 2OH-1 (la forma de potasio es la del ejemplo)
Es el dióxido de sulfuro el que reduce el cloro a cloruro y en respuesta es oxidado a sulfato. La ecuación para la ruptura del cloro por el e l meta bisulfito de sodio sod io o potasio es: Na2S2O5 + 2Cl2 + 3H2O → 2Na +1 + 2SO4 -2 + 6H+1 + 4Cl-1 K2S2O5 + 2Cl2 + 3H2O → 2K+1 + 2SO4 -2 + 6H+1 + 4Cl-1
Asumiendo 3ppm de cloro residual está presente en el agua, esta reacción va a usar 4,7ppm de K2S2O5 y va a resultar en 3ppm de cloruro, cerca de 4ppm de sulfato y 6ppm de CaCO3 de alcalinidad re neutralizada por los iones i ones de hidrogeno. La reacción de cloramina y meta bisulfito es similar: Na2S2O5 + 2H2NCl + 3H2O → 2Na+1 + 2SO4 -2 + 2H+1 + 2Cl-1 + 2NH4+
Nuevamente, asumiendo que 3ppm de cloro residual, la reacción va a requerir de 9,4ppm de K 2S2O5y va a crear 3ppm de cloruro, 8ppm de sulfato, 1,5 de amonio y 4,2ppm de alcalinidad como CaCO3 reducido. El ion de amonio es un nutriente de las levaduras. Cualquier resto de meta bisulfito/dióxido de sulfuro no va a afectar la cerveza, pero va a actuar como antioxidante. antioxidante. Los números del tratamiento se dan en la tabla 21.
Tabla 21: Dosis requeridas para el tratamiento de meta bisulfito. Las unidades son sin volumen, si la concentración de cloro libre es 3mg/l (ppm) entonces se corresponde con un requerimiento de meta bisulfito de potasio de
3/1,564 x litros totales a ser tratados. Un margen de seguridad de 20-30% debe ser usado para asegurar que sea completo. Constituyente Constituyente
Por mg de cloro libre
Por mg de monocloramina
1.564
3.127
mg de meta bisulfato de sodio requerido requerid o
1.337
2.674
mg de sodio agregado
0.323
0.646
mg de potasio agregado
0.550
1.100
mg de cloruro agregado
1.0
1.0
mg de sulfato agregado
1.35
2.70
mg de amonio agregado
00
0.51
2.11
1.43
mg de meta bisulfato de potasio requerido
Alcalinidad neutralizada (ppm como CaCO3)
Los sistemas de agua que usan cloraminas deben algunas veces cambiar a la desinfección con cloro durante periodos donde la fuente de agua tiene bajo contenido orgánico (primavera o invierno). El cloro es más efectivo en matar microorganismos y más barato que la cloramina. El cambio ocasional de desinfectante ayuda a mantener las condiciones sanitarias en el sistema de distribución. Los usuarios de agua pueden notar un mayor aroma a cloro cl oro del agua cuando este cambio es realizado.
Remoción de cloro. Degradación UV.
Una tecnología relativamente nueva para la decloración es la fotolisis por luz ultravioleta, en la cual fotones de alta energía rompen los enlaces moleculares. La luz UV rompe las moléculas de cloro y cloramina en sus componentes, dando cloruro, amonio y agua. La degradación de cloro es optimizada a 180-200 180- 200 nanometros (nm) y la de cloraminas es optimizada a 245-365nm de longitud de onda. La dosis típica recomendada en la literatura es de 20x la dosis de desinfección, es decir, de 600milijoule (mJ)/cm2, con el espectro centrado en 245nm de longitud de onda para el rompimiento combinado. UV también tiene el beneficio agregado de matar el 99,99% de las bacterias y virus a ese nivel y el rompimiento completo del carbón orgánico total (TOC), típicamente moléculas no polares, en especies polares o cargadas que son más
susceptibles de remover por intercambio iónico. En otras palabras, la decloración por tratamiento de UV también ayuda a prevenir daños en las etapas siguientes del proceso, como ser en los tratamientos de intercambio iónico u osmosis inversa. El costo de energía puede ser alto, pero se corresponde con beneficios en bajo mantenimiento y costos de remplazo del intercambio iónico y tecnología de membranas.
Figura 31: El sistema de degradación UV en Sierra Nevada Brewing Co. Esta unidad está situada antes del filtro de carbón activado (GAC).
Remoción de contaminantes orgánicos. Carbón activado.
El carbón activado granular (GAC) es el método más común para remover cloro y la mayoría de los contaminantes orgánicos, incluyendo DBPs. EL GAC difiere del carbón activado activado en polvo (PAC) por el tamaño tamaño de partícula, partícula, siendo de 1,2-1,6mm 1,2-1,6mm en diámetro para GAC contra menos de 0,1mm en diámetro para PAC. La filtración de carbono actúa mediante la toma de una fuente de carbón (típicamente madera, cascara de coco, hulla, etc. ) y “activando” el sustrato por calor (pirolisis) o una combinación de químicos (oxidación) y calor. El proceso de pirolisis forma un residuo de alto contenido de carbón. EL proceso de oxidación selectivamente quema porciones de la matriz de carbón, dejando una cubierta pura de carbón que es muy porosa, dándole una gran superficie. Los tratamientos subsecuentes pueden incluir la impregnación con químicos como acido fosfórico, hidróxido de potasio, cloruro de zinc, etc. para mejorar la propiedad de absorción absorción para contaminantes contaminantes específicos. específicos. La filtración con carbón activado no es un proceso de filtración pero es un proceso de absorción que causa que las moléculas se peguen a la matriz de carbón. La superficie interna muy grande absorbe una variedad de compuestos orgánicos del líquido. GAC va a remover muchos químicos que causan mal olor y mal gusto en el agua. GAC también sirve como un medio catalítico que oxida moléculas complejas como hipoclorito y cloraminas.
La filtración con carbón activado granular (GAC) es utilizada utilizada en la mayoría de las cervecerías para tratar el suministro de agua. Remueve el cloro libre relativamente rápido y las cloraminas relativamente relativamente despacio. despacio. Cuando un suministro de agua se sabe que contiene cloraminas es importante dejar el tiempo adecuado con el medio de carbón. Usar filtros grandes o poner múltiples filtros en paralelo va a aumentar el tiempo de contacto con el medio, aumentando el tiempo de contacto con el medio mejora la remoción de contaminantes y mejora la utilización general del medio de carbón. De todos modos, con filtros en paralelo, cada filtro que se satura y rompe provee un paso para los contaminantes de saltear el sistema de filtrado. La remoción u oxidación de contaminantes en una cama de GAC tiende a ocurrir en una zona limitada. A medida que el flujo decrece, esa zona se achica y la utilización del medio GAC aumenta. Si el flujo es alto, la zona de tratamiento puede extenderse a lo largo de toda la profundidad del medio GAC, lo cual va a resultar en un prematuro avance de los contaminantes. Baja velocidad a través del medio es crítica para mejorar la remoción de los contaminantes y extender la vida del filtro. EL tamaño de las unidades de los filtros de GAC se basa en el volumen interior de la carcasa del filtro que contiene el medio GAC. El tiempo de contacto con la cama vacía (EBCT) es el principal parámetro de diseño para los sistemas de carbón activado. EBCT se calcula dividiendo el volumen total del contenedor que contiene el medio de carbón por la tasa de flujo del líquido. Esta metodología simplifica el análisis removiendo la porosidad del medio de carbón del análisis. En la industria cervecera, el EBCT para remover cloro debe ser al menos de 2 minutos. El EBCT para remover cloramina debe ser de al menos 8 minutos como un medio típico GAC. Puede reducirse reducirse a 6 minutos si son usados con medios especialmente tratados para la destrucción de cloramina. Una comparación de las recomendaciones de diseño para EBCT puede ser hecha de la industria de diálisis, la cual tiene requerimientos más críticos para la remoción de de cloramina; esta industria industria recomienda un EBCT de 10 minutos. Sus recomendaciones recomendaciones de EBCT asumen un medio GAC. El medio GAC es descripto por varios parámetros, cada uno siendo una medida diferente de la habilidad del medio para absorber una sustancia. El parámetro más básico es el número de iodo, el cual es una medida del contenido de micro poros del carbón activado (0-20 Angstrom, o hasta 2nm) por la adsorción de iodo de la solución.
Se define como los miligramos de iodo adsorbidos por un gramo de carbón cuando la concentración de iodo en el filtrado residual es de 0,02N. Esta forma es útil de evaluar la habilidad del medio para adsorber sustancias de bajo peso molecular, como triahalometanos (THMs). El numero iodo para el medio de carbón usado en la cervecería debería ser de al menos 850mg/g para el carbón fresco y preferiblemente preferiblemen te mayor a 1000mg/g. El número de melaza es un parámetro útil para medir la adsorción de sustancias de alto peso molecular. La prueba consiste en medir la decoloración de una solución diluida estándar de melaza como el porcentaje comparado a un estándar GAC. La prueba de taninos mide la habilidad del medio de absorber taninos y se reporta como concentración de ppm. El número de dureza es una medida de la resistencia del medio al desgaste o movimiento, como la expansión de la cama durante el lavado contracorriente. El número de dureza depende de la fuente de carbón usada para hacer el medio, y debería ser de al menos 70. Los sistemas GAC pueden ser de cualquier medida dependiendo las necesidades y las unidades de hogar son comunes. Un cartucho de GAC de 10 pulgadas para filtros de fregadero contiene alrededor de 30-32 pulgadas cubicas de medio AC. Usando el EBCT de referencia, la tasa de flujo a través de este filtro AC debería limitarse a 0,25litros por minuto para remover cloro y 0,06 litros por monto para remover cloraminas. cloraminas. Sin embargo, más cortos EBCTs para para la remoción de cloro se han logrado en la práctica. Un tasa de flujo de 3,78 litros por minuto a través de un filtro AC de 10 pulgadas puede proveedor la adecuada capacidad de remoción y vida de filtro. f iltro. Los problemas comunes con los filtros GAC son la contaminación con microbios y el paso de contaminantes debido a la falta de mantenimiento. Los filtros de carbón son perfectos a nivel casero para bacterias y otros microorganismos después de que el cloro/cloramina han sido removidos. Otros contaminantes orgánicos que son atrapados por los filtros pueden proveer de una fuente de comida. Los filtros GAC necesitan regularmente un lavado químico o flujo contracorriente para limpiar y refrescar el medio y matar cualquier microorganismo presente. Uno puede fácilmente medir los niveles de cloro usando cualquiera de las pruebas simples que se venden en los negocios para acuarios o fabricantes de equipos para agua. (Hach, LaMotte). Notar que el kit de pr ueba “cloro libre” mide solamente el
ion hipoclorito y no cloramina. Si las cloraminas son usadas en el suministro de agua, una kit de prueba de “cloro total” es necesaria. La medición de otros contaminantes,
como THMs, requiere el uso de cromatografía gaseosa o espectrofotometría. Si algún residual es detectado, el carbón debe ser cambiado. Los recipientes de gran tamaño de GAC incluyen puntos de muestra a varias profundidades en la cama de carbón con el propósito de medir el progreso del consumo del GAC dentro del contendedor. Todos los medios GAC eventualmente eventualmente necesitas ser remplazados, incluso con mantenimiento regular.
Remoción de gases disueltos. Desgasificación.
El oxígeno es la pesadilla de los cerveceros y cervecerías, con la sola excepción de su utilización por las levaduras para la síntesis de esteroles. No resulta sorprendente que sustitutos como el aceite de oliva se hayan probado con el esfuerzo de removerlo enteramente de la cervecería. Métodos de reducción de oxigeno se han probado y muchos se usan regularmente para limitar el efecto del oxigeno en cada etapa del proceso de hacer cerveza. Desafortunadamente, incluso 1ppm en el producto final es un gran problema. Los niveles máximos actualmente aceptados en la industria en la cerveza terminada son siempre menor de 0,05ppm, usualmente menores a 0,03ppm y el objetivo para muchos cerveceros es que sea menor a 0,01ppm. Generar y mantener esos niveles en el agua/cerveza durante cualquier operación de transferencia y embotelladlo requiere estar en contacto con muy poco oxigeno desde el comienzo. ¿Cómo lograrlo? La desgasificación es limitada y/o controlada por las leyes de Dalton y Henry. La ley de Henry establece que la solubilidad de un gas es directamente proporcional a la presión parcial de ese gas ga s sobre el líquido. La ley de Dalton establece que la presión total de una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones parciales de los gases g ases que la componen. Para des-gasear el agua, las relaciones de la presión parcial deben ser cambiados por lo que la presión parcial del oxigeno sea lo más baja posible. Esto se puede lograr aumentando la presión parcial de otros gases para contrarrestarlo, contrarrestarlo, aumentando la presión de vapor del agua o reduciendo la presión total del sistema.
Figura 32: Columna de desgasificación en Sierra Nevada Brewing Co.
La tecnología original de vacío de desgasificación trabaja mediante el rocío de agua en una niebla en una campana parcialmente vacía. La gran área superficial de la niebla permite al oxigeno y otros gases ser fácilmente sacados de la solución en el vacio parcial y removidos. Este método tiene tiene la opción de de usar un gas de remoción remoción como CO2. Esta tecnología típicamente logra 0,07-0,1ppm de contenido de oxigeno y es adecuada para calderas. La tecnología de membrana también puede ser usada para remover oxigeno y otros gases. Las membranas son fibras huecas conectadas a una cámara de baja presión para sacar los gases a medida que difunden por las membranas. Estos sistemas pueden reducir el oxigeno residual a 0,02ppm pero tiene algunas desventajas importantes. Las fibras son relativamente caras y difíciles de mantener. La actual tecnología que podemos elegir en la industria cervecera es un sistema de columna de des-gaseado, en el cual altas columnas empaquetadas con un medio adecuado nos aseguran una gran superficie de contacto entre el agua y el gas de remoción (CO 2 o nitrógeno). El agua entra lentamente a través de la columna mientras que el gas de remoción sube hacia arriba. La mayoría del gas de remoción es disuelto en el agua y el resto (incluido el oxigeno depurado) es ventilado. ventilado. Los sistemas de columna fría en cual el agua no es calentada pueden alcanzar un valor de 0,03ppm de oxigeno residual. Calentando el agua por debajo de su punto de ebullición usando intercambiador de calor, este nivel puede ser reducido más. Estos sistemas de columna caliente pueden lograr un oxigeno residual por debajo de 0,01ppm (menos de 10 partes por billón). Otras ventajas de los sistemas de columna son el bajo uso de energía, altas tasas de flujo y bajo mantenimiento. mantenimiento. Las unidades pueden ser del tamaño para entregar entregar entre 5000-80000 litros por hora.
Resumen.
En este capítulo hemos mirado la mayoría de las tecnologías prácticas actuales para remover sólidos, líquidos líqui dos y gases de la fuente de agua para prepararla para el uso en la elaboración de cerveza. Estos procesos son usualmente combinados de alguna forma para hacer los tratamientos más efectivos y eficientes. Por ejemplo, cartuchos de carbón activado con resina SAC para reducir la dureza y metales pesados, intercambio iónico antes de la osmosis inversa para mejorar la vida de las membranas o decloración con UV seguido de GAC par adsorber cualquier residuo. Hay muchas formas de combinar estas tecnologías para que trabajen mejor para nosotros. En el próximo capítulo, vamos a discutir los requerimientos para diferentes usos del agua en la cervecería, y el uso del material presentado en este capítulo va a ser evidente.
9 El agua en los procesos de la cervecería. Para muchos cerveceros, el licor es la única agua que es necesario prestar atención. Sin embargo hay muchas tareas donde es requerida el agua en la cervecería y hay otras razones para tratar el agua. Es importante tener la habilidad de mínimamente procesar el agua para cada tarea si es requerido hacerlo. Trabajar inteligentemente, no más duro, como dicen. Toda el agua que entra a la cervecería debe tener algún nivel de base estándar de calidad de agua potable. Es irreal depender del suministrador de agua para proveernos de agua que sea perfectamente recomendable para hacer cerveza. Sin embargo, también es irreal planear usar el agua del licor para cada uso de agua en la cervecería. Desde que discutimos el agua para la producción de mosto extensamente en los primeros capítulos, este capítulo se va a enfocar en los otros usos en la cervecería, donde factores como formación de incrustaciones incrustaciones o costo de los químicos son más importantes. importantes. Hemos dicho en todas partes en este libro, uno de los concejos más comunes de los cerveceros profesionales, grandes y pequeños, es probar el agua cada día. Este paso básico nos puede alertar sobre cambios en el agua, cambios que pueden afectar el sabor de la cerveza, pero también cambios que pueden afectar el agua de proceso de la cervecería. Las cervecerías exitosas como Sierra Nevada Brewing Co. de Chico, California prueba el agua en varios puntos del proceso. Huelen y prueban la fuente de agua, huelen y prueban después de la decloración y después de la filtración GAC. No descartar la prueba fácil, puede ahorrarnos un montón de remediaciones. remediaciones.
El agua para elaborar cerveza.
Generalmente, el primer paso en el tratamiento de agua para elaborar cerveza consiste en eliminar el cloro/cloramina, cloro/cloramina, por filtración con carbón activado o adición de meta bisulfito. De todos modos, esto remueve el desinfectante residual del agua y puede dar paso a otros problemas, especialmente si hay un restaurant unido a la cervecería. La desinfección UV antes del filtro de carbón puede lograr dos propósitos: 1) desinfecta altamente el agua y ayuda a prevenir la contaminación bacterial del filtro de carbón y 2) rompe compuestos orgánicos como cloramina antes del filtro de carbón, reduciendo la cargan de adsorción y reduciendo el riesgo de pérdida de contaminante. El agua para uso domestico, como cocinar, lavatorios, etc., no debe tener la remoción de los desinfectantes residuales, y esta agua debe ser separada del suministro principal antes del tratamiento. Ver figura 33 para un ejemplo de la distribución del agua y el tratamiento en la cervecería. El orden de los tratamientos debería ser adaptable a los cambios en necesidades, pero los cerveceros son precavidos en cuanto a crear divisiones en el flujo de agua más allá de las necesidades actuales, porque estos espacios muertos pueden proveer un lugar ideal para el crecimiento de bacterias.
Figura 33: un ejemplo de la distribución del agua y tratamiento en una cervecería. Las medidas de tratamiento de agua no deben malgastarse en agua que no lo necesita, pero debe ser usada usada donde tenga sentido sentido económico.
Agua de lavado y enjuague.
La mayoría del agua de la cervecería es usada para limpiar. Una cervecería ultra moderna puede usar usar solo un barril de agua para limpiar para hacer un barril de cerveza, pero pero las más viejas, viejas, cervecerías cervecerías menos eficientes pueden pueden usar 3-8 barriles barriles para limpiar por barril de cerveza producida. Actualmente, un buen uso total de agua por barril de cerveza es de alrededor de 4,5-5 barriles en promedio. Este uso puede
dividirse en 2-3 barriles de agua agua residual, residual, 1 barril perdido perdido en limpiar limpiar los granos, levaduras, evaporación, etc. y 1 barril al producto. La alta producción de las cervecerías ayuda mejorando el uso de agua debido a economías de escala. Las cervecerías más grandes en los Estados Unidos se han puesto un objetivo en el uso total del agua de 3,5 barriles por barril de cerveza producida. Sin embargo, puede ser difícil reducir el uso a menos de 4,5 barriles por barril de cerveza producía si la cervecería está produciendo menos que 10000 barriles anualmente. El agua para limpiar debe tener baja dureza de calcio y magnesio (<50ppm de dureza total recomendada) para lograr el uso más eficiente de los detergentes y cauticos. En condiciones de agua dura, una porción del químico limpiante se va a unir (neutralizar) con el calcio y magnesio en el agua, por lo que más químico será necesario para una tarea dada. El ablandamiento del agua reduce este problema y también salva dinero. Además, cuanto más limpiador es usado, mas agua es necesitaría para enjuagar. El agua ablandada es buena para la limpieza y va a dejar menos incrustaciones de carbonato luego de secarse. El agua ablandada también es buena para enjuagar, pero el problema es, que muchos emulsionantes, dispersantes y surfactantes usan sodio o potasio en su química. Estos iones son altamente solubles en agua y ayudan en la disolución del limpiador. Enjuagar es más difícil con una solución que ya contiene una concentración relativamente alta de estos solutos (como limpiar el macerado con mosto es menos efectivo en la extracción que limpiar con agua). Por lo tanto, mientras el agua ablandada es menos efectiva para enjuagar que el agua no ablandada, hay todavía una ahorro neto en usar agua ablandada para enjuagar debido al reducido uso de químicos de limpieza. Incluso el ablandado parcial de agua moderadamente dura puede todavía reducir el uso de cauticos significativamente. Una cervecería con 75ppm de dureza total fue capaz de reducir el uso de caustico clorado un 50% después de que un ablandador fue instalado. Ablandando el agua de lavado puede rápidamente pagar por si mismo salvando costos de químicos y salvado trabajo, incluso en una cervecería pequeña.
Notas sobre Agua de lavado y enjuagado.
El lavado y enjuagado es típicamente es mayor uso de agua en la cervecería: 38 volúmenes por volumen de cerveza. El agua ablandada es recomendada para limpiar y enjuagar (<50ppm de dureza es mejor) El agua ablandada puede reducir el costo de los químicos de limpieza y su uso.
Silicatos.
Un problema que puede ser un gran dolor de cabeza para los cerveceros son los silicatos. Sílice (SiO 2) está presente en la mayoría de los suministros de agua en el rango de 1-100ppm, pero no responde a la mayoría de los tratamientos de ablandado/des-alcalinización. Sílice puede polimerizar a sílice coloidal insoluble y gel de sílice. El sílice se vuelve más soluble al aumentar el pH, disociándose en SiO 3-2. Desafortunadamente el silicato de magnesio se vuelve menos soluble a pH más altos (>8,5) y es muy difícil de remover sin acción mecánica. Si el agua es ablandada y un halo blanco se forma en la superficie del tanque después de que se seca, puede ser silicato de sodio o potasio. Estas sales son solubles en soluciones acidas y pueden ser limpiadas mejor por caustica seguido por un enjuague con agua agu a de alta pureza. El agua que es rica en sílice (>25ppm) no debe ser usada para alimentar la caldera debido al alto potencial de sarro.
Licor frio.
El agua usada para enfriar en los intercambiadores de calor y fermentadores es con frecuencia referida como licor frio. Puede ser tanto agua para elaborar cerveza que está siendo calentada para el siguiente lote de producción o puede ser parte de un sistema cerrado utilizando propilenglicol. Es una práctica común usar el licor para elaborar cerveza como licor frio en un intercambiador de calor para enfriar el mosto y además calentarlo para el siguiente lote. Esto puede ser un gran ahorro de costos de
energía. Si el agua no es lo suficientemente fría para dejar la temperatura del mosto a la temperatura de inoculación, una segunda etapa de enfriado puede ser requerida usando glicol.
Figura 34: el intercambiador de calor principal en New Belgium Brewing Co., Fort Collins, CO.
El lado frio de un intercambiador no es tan susceptible a deposiciones de carbonato debido a que la mayoría de las adiciones de sales de calcio son hechas típicamente después en el macerado macerado o olla de hervido. hervido. Además, el agua todavía contiene dióxido de carbono disuelto, por lo que los carbonatos disueltos son más estables. Esta agua para elaborar cerveza es filtrada y de clorada pero de otra manera tratada. Los fermentadores y tanques de madurado normalmente tienen encamisados de glicol para enfriar porque esto provee mejor control sobre la temperatura que los métodos de enfriado con agua pura. Las soluciones de propilenglicol tiene menor punto de congelamiento que el agua y por lo tanto tienen menos probabilidad de congelarse en las líneas y apagar el sistema de enfriado. Los productores de glicol recomiendan que agua destilada sea usada para crear las soluciones pero no es común entre los cerveceros hacer esa práctica. La mayoría de las cervecerías solo usan el agua de la ciudad para diluir, aunque la fuente de agua con alta dureza no son recomendadas. recomendadas. Los productores de sistemas de enfriado con glicol recomiendan que el contenido de propilenglicol sea al menos del 30% (en volumen) por lo que el punto de congelación es 11-13ºC menor por debajo del termostato más bajo en funcionamiento en la cervecería, este es el margen normal para prevenir congelamiento del refrigerante en el sistema. Ver el recuadro sobre propilenglicol para más información. Los desinfectantes residuales residuales y biocidas biocidas son necesarios necesarios en sistemas de enfriado abiertos al aire, como torres de enfriado, para prevenir el crecimiento de microorganismos. Los biocidas también son recomendados para sistemas cerrados de glicol porque el glicol puede ser una fuente de comida para algunas bacterias. El acido peracético (CH 3CO3H) es el biocida común elegido porque es efectivo a temperaturas muy bajas. Sin embargo, es un fuerte oxidante, es altamente corrosivo y puede ser
peligroso cuando se inhala. Cuidado debe ser tomado cuando es manejado y usado el ácido peracético.
Notas sobre el licor frio.
El licor para elaborar cerveza es a menudo usado en la primer etapa de un intercambiador de calor para remover y recuperar el contenido de calor del mosto hervido y pre-calentar efectivamente el licor para elaborar cerveza para el siguiente lote. Una segunda etapa de enfriado con glicol en el intercambiador de calor es normalmente normalmente usada para enfriar el mosto hasta la temperatura de inoculación. El propilenglicol es agregado para bajar el punto de congelamiento congelamiento del agua. De 30 a 35% (en volumen) es la típica concentración de glicol usada en los sistemas de enfriado con glicol. Baja contenido de dureza y hierro es deseable para los sistemas de glicol, pero no es fundamental. Desinfectantes residuales o biocidas son recomendados para los sistemas con glicol.
Propiedades del propilenglicol
El propilenglicol está en la lista segura de la FDA y mientras que se haga el esfuerzo de no contaminar la cerveza con este producto, es segura la ingesta en caso de una fuga. Es muy efectivo para bajar el punto de congelamiento del agua, pero también reduce el calor especifico, es decir, el poder de enfriado de la solución. De todos modos, la concentración de propilenglicol debe ser solo lo suficientemente alta para prevenir el congelamiento a la temperatura más baja a la que va a trabajar el sistema (mas un factor de seguridad). Su concentración puede se medida fácilmente con un refractómetro y hidrómetro. Es muy caro, por lo que todos los esfuerzos se deben hacer para evitar pérdidas en el sistema.
Propiedades de una solución de propilenglicol.
Volumen
Punto
de
(%)
congelamiento (ºC)
Lectura
en
refractómetro (Brix,
Densidad especifica especifica
Calor especifico
(21ºC)
(J/ (g.ºC)
20ºC) 10
-3,3
8,5
1,006
4128
20
-7,8
16
1,015
4052
30
-13,3
22,5
1,024
3931
32
-14,1
24,1
1,025
3902
34
.15,6
25,5
1,026
3868
36
-17,3
26,5
1,028
3839
38
-19,1
28,1
1,030
3801
40
-21,1
29,1
1,031
3768
*la densidad especifica generalmente no es recomendada debido a que si bien la densidad aumenta, luego decrece cuando se aumenta el porcentaje de glicol en la solución (>60%). Las soluciones de glicol no siguen la misma relación para refracción contra gravedad como las soluciones de azúcar. Mismo instrumento, diferente utilización.
Caldera y agua de alimentación de caldera.
El vapor es comúnmente usado para calentar la olla de macerado y hervido, y para sanitizar los intercambiadores intercambiadores de calor. Los sistemas de caldera y vapor requieren agua con bajo contenido de sólidos disueltos totales (TDS) porque los sólidos se acumulan como incrustaciones que pueden aislar y tapar el sistema. El agua de caldera se refiere al agua en el reservorio para la caldera, donde los sólidos se acumulan. El agua de alimentación es el agua que se agrega a la caldera a medida que el vapor es perdido en el sistema sistema a lo largo del del tiempo. La medición de TDS por por medio de la conductividad del agua es la mejor manera de monitorear la calidad del agua de caldera. El agua de caldera que excede los parámetros generales de la industria de 1000ppm de TDS es removida de la caldera durante la purga/mantenimiento. Bajo contenido de sílice es un criterio especialmente importante porque forma unas incrustaciones incrustaciones muy tenaces a más altas concentraciones. concentraciones.
Figura 35: la caldera en Heretic Brewing Co., Fairfield, CA.
La composición adecuada del agua de caldera puede extender la vida de un sistema de vapor significativamente El ambiente interno de la caldera puede ser altamente corrosivo, por lo que la composición del agua y el tratamiento son muy importante. Cuando el agua se pierde del sistema, por perdidas o durante la purga normal para remover los sólidos acumulados, mas agua debe ser agregada. El agua de alimentación debe ser baja en TDS (baja dureza y carbonatos) y tener niveles muy bajos de oxigeno y dióxido de carbono. RO o agua destilada es normalmente usada para hacer el agua de alimentación de caldera. Condensado de la olla de hervido pueden ser utilizados como agua de alimentación si es lo suficientemente suficientemente pura. Los minerales en el agua de caldera son responsables de las incrustaciones y los gases disueltos en el agua van a causar corrosión de las cañerías y componentes de la caldera. Los carbonatos en el agua se van a descomponer en dióxido de carbono a alta temperatura y presión, de acuerdo a la reacción:
Ca(HCO3)2 (calentado) →CaCO3(ppt) + CO2(g) + H2O
El dióxido de carbono se disuelve en el vapor y condensa para formar acido carbónico. Si bien el acido carbónico es débil, es lo suficientemente fuerte en el ambiente de condensación para bajar el pH por debajo de 5. El acido carbono causa picaduras en el acero mediante la formación de bicarbonato ferroso., el cual es poco soluble. Una vez que una picadura se formo, es el mejor lugar para futuras corrosiones y es una fuente de hierro libre para diseminar la corrosión a través del sistema de vapor. La corrosión por oxigeno ocurre en una manera similar, formando hidróxido férrico y causando picaduras. La combinación de oxigeno y dióxido de carbono parece aumentar la corrosión en un 40% más que cualquiera de los gases por si solos. solos. pH alto del agua/condensados (>7) disminuye la tasa de corrosión de alguna forma. Los iones de cloruro son corrosivos para todos los aceros, pero el cloro es más estable a pH 10 y más alto. La NBBI (National Board of Boiler and Pressure Vessel Inspectors) recomienda que el agua de caldera debe mantenerse a pH 11 y que los condensados deben mantenerse entre pH de 7,5-8,5 para prevenir mejor los problemas de corrosión.
Los aditivos recomendados son cáusticos para el control de pH, fosfatos para el control de las incrustación y bisulfito de sodio para el control de oxigeno. Otro tratamiento común es la adición de aminas (octadecilamina). Estas cadenas largas de aminoácidos son agregadas al agua de caldera. Cuando se calientan, se evapora y cubren las superficies del sistema de vapor con una capa anti agua, protegiendo el acero de la corrosión. Los requerimientos requerimientos dependen específicamente específicamente de la caldera en el tamaño, presión y variables del sistema. Las cervecerías deberían contactar con un especialista en calderas para información más detallada. El debilitamiento caustico es otro problema potencial para las calderas y ocurre cuando la concentración local de cauticos (hidróxidos) es mayor al 10%, como en grietas de remaches o conexiones. Este tipo de debilitamiento es muy similar al agrietamiento por corrosión bajo tensión, donde las grietas se propagan debido a la combinación relativamente baja de estrés y un agente corrosivo. Los aditivos de meta bisulfito de sodio y fosfato pueden ser s er usados para mitigar el debilitamiento caustico.
Problemas causados por un pobre tratamiento del agua de caldera.
Incrustaciones Incrustaciones y acumulación de sólidos disminuyen la eficiencia. El exceso de gases, carbonatos y cáusticos pueden causar corrosión. El pH del agua de caldera debe mantenerse en 11 para minimizar los riesgos de corrosión.
Requerimientos del agua de caldera.
El agua de caldera debe proceder de agua ablandada y des-alcalinizada, o de agua RO o destilada. Los limites superiores sugeridos para el agua de caldera por la MBAA’s Practical Brewer (3rd Ed.):
3500 ppm TDS 1000 ppm dureza 700 ppm alcalinidad
300 ppm sólidos suspendidos 125 ppm sílice
Aditivos del agua de caldera.
Agentes quelantes (EDTA) para para la remoción de calcio. Fosfatos para la remoción de calcio. Recuperadores Recuperadores de oxigeno (bisulfito de sodio). Animas para prevenir la corrosión. Acondicionadores de sedimentos para precipitar los carbonatos para poder ser removidos por purga.
Requerimientos del agua para alimentar la caldera.
Bajos carbonatos (menos de 50ppm como CaCO 3). Bajo cloruro (menos de 50ppm). Desgasificación Desgasificación necesaria (debe ser menor que 20ppb) Las concentraciones concentraciones de sílice deben ser muy bajas (25ppm máximo) Consultores son usados generalmente generalmente para acomodar y controlar el agua de caldera.
Envasado.
El agua ablandada es usada en muchas lugares en las operaciones de embotellado. El agua ablandada se prefiere porque enjuaga bien y deja poco residuos. Para la limpieza general en los alrededores de la línea de embotellado, el agua blanda con desinfectante clorado residual es adecuada. Las cervecerías con agua blanda natural a menudo usan el agua como es. Las prácticas para el enjuague de botellas varia, algunas veces el agua de enjuague es solo ablandada, y otras veces es filtrada GAC con la adición de un sanitizante que no se enjuague como dióxido de cloro u ozono. El mismo agua puede ser usada para “fobbing” la cerveza (es decir, poner un
tope a la espuma), sin embargo algunos cerveceros prefiere agua RO y/o desgaseada para este contacto final para minimizar que tome oxigeno durante el embotellado.
Figura 36: Una de las líneas de embotellado en Sierra Nevada Brewing Co., Chico, CA.
Incrustaciones y corrosión son consideraciones principales para una línea de pasteurización. El agua usada en pasteurización es ablandada e incluye inhibidores de corrosión similares a los tratamientos del agua de caldera y de alimentación de caldera. La limpieza de los barriles y las operaciones de embalaje pueden ser un poco diferentes que las de embotellado. Los barriles tienen una mayor probabilidad de que se formen incrustaciones de carbonato y “beerstone”, por lo que agua ablandada o incluso de ionizada es más común de usar. Los barriles de acero inoxidable pueden ser sanitizados con vapor, pero los sanitizantes que no se enjuagan son comunes también.
Notas sobre el agua de embotellado.
El ablandado del agua es el tratamiento mínimo recomendado para la limpieza general. Filtración GAC o RO es recomendada para enjuague o “fobbing” agua.
El agua desgaseada ofrece mejor protección para reducir la toma de oxigeno durante el embotellado.
Empujado del producto.
Una cantidad de cerveza se puede perder en las tuberías de transferencia, mangueras o WIO (mosto en progreso, wort in progress). Usando agua para empujar el producto a través de líneas largas puede proveer de ahorros significativos en cervecerías grandes. Con un buen control de flujo o volumen, muy poco mosto es desperdiciado cuando se transfiere el mosto al fermentador o cuando se empuja la cerveza terminada terminada a un tanque de madura o a la línea de embotellado.
Agua estéril y de clorada es requerida para empujar el mosto. La desgasificación no es requería para transferir mosto, debido a que las levaduras van a consumir cualquier oxigeno agregado durante la fermentación. El agua desgaseada es altamente recomendada para empujar cerveza, idealmente, debería ser el mismo agua usada para la dilución post fermentación. De todos modos, desde que la interface entre la cerveza y el agua es pequeña y el tiempo de contacto es corto, muchos cerveceros simplemente paran la transferencia de mosto un poco antes y consideran la pequeña cantidad perdida de producto como insignificante en el total.
Notas sobre el agua para empujar.
El agua estéril y de-clorada es mejor para empujar el mosto. Agua estéril y des gasificada (<15ppb) es mejor para empujar cerveza. De todos modos, con el adecuado control de flujo/volumen, requerimientos menos rigurosos son aceptables porque el pequeño volumen de la interface mosto/cerveza puede ser descartado.
Agua de dilución.
Es una práctica común hacer cerveza unos puntos de densidad más altos que la densidad objetivo y diluir un poco al final del hervido para lograr el objetivo. En algunos casos, los cerveceros hierven a 30% o más sobre el objetivo de densidad, lo que se conoce como elaboración de cerveza de alta densidad o ultra-alta-densidad. Esta práctica se asegura una densidad consistente al comienzo, lo cual es esencial para crear un producto consistente. Es importante que el agua para esta dilución antes de la fermentación tenga el mismo o más alto contenido de calcio que el licor de elaboración de cerveza para promover la precipitación del oxalato de calcio antes de que se embotelle. Altos contenidos de calcio promueven la precipitación de oxalato de calcio más tempranamente en el proceso de elaboración. Generalmente, la concentración de calcio en el agua de elaboración de cerveza debe ser al menos tres veces la concentración de oxalatos enumerados en el análisis de la malta. Si el oxalato
de calcio precipita en la botella, puede causar “gushing”, donde la botella entera se torna espuma después de abrirla. En tanque de madurado y añejado el oxalato de calcio (“beer Stone” ) causa trabajo extra y es caro en los ciclos de limpieza.
Hay dos métodos de elaboración de cerveza de alta densidad: el primero diluye el mosto antes de la fermentación y el segundo diluye la cerveza después de la fermentación. fermentación. La dilución antes de la fermentación es más usada para cervezas de baja densidad donde la capacidad de fermentación excede la capacidad de hervido. Es más simple que la dilución post fermentación debido a que la desgasificación no es requerida. El agua de pre fermentación debe ser sanitizada y los métodos más comunes son la filtración estéril, esterilización con UV y esterilización con calor. Es recomendado que este porcentaje de dilución no exceda el 30%. El agua de dilución dilución post fermentación fermentación tiene requerimientos requerimientos más estrictos que cualquier agua usada en la cervecería. Debe ser estéril, como el agua de pre fermentación, pero también debe ser desgaseada para prevenir oxidar la cerveza. Diferentes métodos de des gaseado tienen diferente capacidad, el hervido de agua a la presión atmosférica solo reduce el nivel de oxigeno disuelto a 4ppm. Este nivel de oxigeno puede ser aceptable en embotelladlo 50 años atrás, pero no es aceptado hoy en día. Los parámetros de la industria para niveles máximos aceptables de oxigeno en cerveza embotellada es menor de 50 partes por billón. Los niveles son normalmente menores de 30ppb, y el objetivo para muchas cervecerías es menos de 10ppb. Si el producto es carbonatado, entonces entonces el agua de dilución debe ser carbonatada también. también. Afortunadamente, las columnas calientes de desgasificación usan dióxido de carbono como gas de remoción, por lo que CO2 residual no es un problema ahí. La dilución post fermentación es usualmente hecha en la línea de embotellado y puede resultar en grandes ahorro de equipos de almacenamiento y costos de refrigeración. Es muy importante que el agua de post fermentación tenga una concentración de calcio menor que la c erveza para prevenir la precipitación de oxalato y el “gushing” en la botella. El nivel de calcio en la cerveza debe ser 1/3 del nivel original de calcio en el agua para elaborar cerveza, por lo que es importante estar seguro del margen para evitar la precipitación.
Consideración del agua para diluciones.
El contenido de calcio debe ser ajustado lo necesario para prevenir la precipitación de oxalato en el embotellado. La esterilización es requerida. La filtración de carbón para remover todos los olores orgánicos y cloro residual es común. Cuanto menos oxigeno disuelto, mejor. El agua de dilución debe ser carbonatada si la dilución se hace en la línea de embotellado.
Resumen.
Este capítulo se realizo para dar una mirada general de los usos adicionales del agua en una cervecería. cervecería. Hay muchas maneras maneras de diseñar la la calidad del agua para las operaciones de la cervecería. Muchas veces la logística y consideraciones monetarias son los factores principales para diseñar los sistemas de tratamiento de agua. La idea es establecer los procesos procesos de tratamiento en una progresión natural por lo que el agua de una calidad apropiada está disponible donde se necesita, al menor costo y el agua de alta calidad no se gasta donde no se necesita. Eso sería como tirar plata por la ventana. “Usar tanta agua como sea necesaria pero no una gota mas” proverbio
cervecero.
10 Tratamientos del agua residual en la cervecería. Es el final del día en la cervecería: es mosto esta hecho, la cerveza esta fermentando, otras cervezas han sido empacada y todo el equipo ha sido lavado. El agua residual se ha ido por el drenaje. El trabajo está hecho. ¿O lo está? El agua residual solo se fue por el drenaje, ¿bien? ¿Exceso ¿ Exceso de mosto procedente de la cama de granos? Por el drenaje. ¿Agua residual de las operaciones CIP? Por el drenaje. La ciudad se va a encargar de esto, ¿verdad? Para muchas pequeñas cervecerías, este es el caso. El sistema de tratamiento de agua de la cuidad puede manejar 400-2000 litros de agua o mosto al mismo tiempo sin mucho problema. Pero a medida que las cervecería se vuelve más grande (el problema del tamaño depende de la planta de tratamiento o de la ciudad), la cervecería debe ser responsable por altas tasas para que sea tratada su agua residual, o debe tener que tratar su agua residual antes de descartarla. Este capítulo intenta ser una introducción al tratamiento de agua residual en la cervecería. No intenta ser completamente comprensiva o recomendar el mejor acercamiento. No hay una sola respuesta cuando hay que elegir entre las opciones de tratamientos del agua residual. Determinar el mejor acercamiento va a requerir una revisión de los requerimientos locales, provinciales o nacionales, la disponibilidad de las opciones y la consulta con personas con más conocimiento que los autores de este libro. El propósito de este capítulo es educar sobre que es el agua residual, porque debe ser tratada y como puede ser tratada.
¿Qué es el agua residual?
Cualquier agua que es afectada negativamente por el uso humano o por la utilización es llamada agua residual. La calidad en esta definición se refiere a la calidad de agua potable. El agua residual puede contener sólidos suspendidos, sólidos disueltos y/o líquidos y gases disueltos. La elaboración de cerveza puede ser una actividad que usa mucha agua: normalmente el uso de agua es de 5-8 volúmenes de agua por volumen de cerveza producida y de alrededor de 1,36 kilogramos de granos saturados por 3,78 litros de cerveza. Desperdicios adicionales. Mayormente proteínas y lúpulo gastado, son pr oducidos como turbio en el “Whirlpool” y los fermentadores. Algunos de estos desperdicios pueden ser colectados y eliminados como desechos sólidos, pero mucho va a los drenajes. La mayoría del agua residual de una cervecería viene de las operaciones de limpieza y va a tener limpiadores cáusticos, sanitizantes, ácidos y residuos. La fuerza de estos efluentes puede ser medida de varias maneras, pero dos de las más comunes son la demanda biológica/bioquímica biológica/bioquímica de oxigeno (BOD) y la demanda química de oxigeno (COD). La prueba de BOD mide la cantidad de compuestos orgánicos biodegradables en agua mediante la medición la cantidad de oxigeno consumido por bacterias en una incubadora durante un periodo de 5 días, expresada como mg/l de O 2. La prueba de COD es más rápida, mide tanto los orgánicos biodegradables como no biodegradables mediante la medición de la cantidad de oxidante (normalmente dicromato de potasio) fuerte que reacciona con la muestra. La prueba de COD sobreestima la cantidad de contaminante orgánico en el agua comparada con la prueba e BOD, pero su velocidad y consistencia consistencia la hacen importante para planear los tratamientos de agua necesarios. Otros métodos comunes para determinar el contenido orgánico del del agua son el color (de los taninos taninos y materia húmica), la extracción con solvente y el carbono orgánico total (TOC). La prueba e TOC es una atomización y combustión que mide el carbono total como CO 2, incluyendo la alcalinidad en el agua (aunque la alcalinidad es normalmente restada). La medida más relevante para los desechos de la cervecería es BOD y puede que sea la única mediciones que realmente se puede hacer.las otras definiciones están incluidas para nuestra información, por si acaso.
Es primordial que los orgánicos en el agua residual sean tratados, y por tratados, decimos removidos. Los orgánicos en el agua residual de las cervecerías no son normalmente contaminantes como aceites o solventes, más bien proteínas y carbohidratos que proveen comida para las bacterias bacterias o mohos. Si se descarga sin tratar en arroyos o ríos, estos efluentes proveen suficiente nutrición para los microorganismos para consumir todo el oxigeno disponible del ecosistema, matándolo.
¿Por qué tratamos el agua residual?
Los desechos de la cervecería son un problema particular para el tratamiento de desechos de una ciudad por su fuerza. El agua residual normal de una cervecería puede contener sólidos suspendidos en el rango de 400-800ppm y un BOD de 20003500ppm. La temperatura del agua residual puede exceder los 60ºC. El pH del desecho puede exceder fácilmente los límites de 5-11 debido a los limpiadores cáusticos y ácidos. La carga de levaduras pueden dejar fuera de competencia las facilidades para la digestión por bacterias. Los sanitizadores residuales pueden también dañar o matar las bacterias de digestión y parar los tratamientos. La descarga de una cervecería va a variar dependiendo de la actividad particular en el tiempo, es decir, vaciado de la olla de macerado, limpieza del fermentador o limpieza de los equipos. El desecho de la cervecería puede ser mas efectivamente manejado si primero se vierte en un tanque donde pueda ser diluido con otras aguas residuales, y entonces descargado en la cloaca a una tasa más uniforme sobre un periodo de tiempo más prolongado. Un tanque de estabilización es por lo tanto el primer paso en cualquier sistema de manejo de desechos. d esechos. Los requerimientos nacionales para la descarga de agua residual en el agua superficial en los Estados Unidos están listados en la tabla 23. El acta de agua limpia por el sistema nacional de eliminación de descargas contaminantes (NPDES) de 1972 impuso estos límites. Cualquier agua residual que excede estos límites debe ser tratada (es decir, los contaminantes removidos en una planta de tratamiento de desechos) antes que la descarga vuelva al medio ambiente.
Tabla 23: requerimientos de la NPDES para la descarga en fuentes superficiales de agua. Parámetro del desecho pH Temperatura BOD TSS TDS Fosforo Amonio
Limite 6-9 38ºC 30ppm 30ppm (varia) (varia) (varia)
Los requerimientos de descarga de la cervecería a la cloaca local y la planta de tratamientos de desechos varían con el lugar, debido a leyes y necesidades locales. Normalmente, los requerimientos de la cloaca son mucho menos restrictivos que los requerimientos medioambientales para BOD y sólidos totales disueltos (TSS). Los requerimientos normales de efluentes para la descarga en la cloaca en los Estados Unidos se muestran en la tabla 24.
Tabla 24: límites normales de los parámetros de los desechos en Estados Unidos para la descarga a la cloaca.
Parámetro del desecho Flujo Temperatura pH BOD TSS Grasas, aceites y lubricantes
Limite <95000 litros por día 60ºC 5-11 250mg/l 250mg/l 100mg/l
*las tasas de flujo mayores a 95000 litros por día son consideradas de ser Usuarios industriales significativos, significativos, sujetos a tasas y requerimientos más altos.
La carga que la planta de tratamiento ve en un tiempo dado es una combinación del volumen del agua residual y de la fuerza. Un gran volumen de baja fuerza puede ser manejado con relativa facilidad y de hecho esta condición puede ser considerada típica para el proceso diario. Un desecho de bajo volumen de gran fuerza puede ser diluido por otro otro desecho antes o inmediatamente inmediatamente después de entrar entrar a la planta y puede ser acomodado sin mucho problema. Sin embargo, un desecho de gran volumen y alta fuerza (alta BOD) puede ser un problema real. Además, cualquier
instalación que descargue más de 95000 litros por día es considerada como usuario industrial significativo significativo por la EPA en Estados Unidos y está sujeto a tasas más altas altas y requerimientos más restrictivos. Asumiendo una relación de agua residual-cerveza de 4:1 para cervecerías de mediano tamaño, esto es igual a una producción anual de 75000 barriles.
¿Cómo es tratada el agua residual?
Figura 37: diagrama esquemático de los pasos básicos de un tratamiento de aguas residuales. El primer paso es la remoción de sólidos suspendidos, después la filtración de partículas finas, estabilización del pH y después el tratamiento de BOD en el agua residual por digestión aérobica o anaeróbica.
El orden de las operaciones en los tratamientos de aguas residuales es básicamente el mismo, aunque sea realizado en una cervecería, fabrica o planta municipal de tratamiento. Primero los sólidos suspendidos son removidos por un tamiz o sedimentación. Esto puede ser cualquier cosa proveniente de la madera, juguetes, zapatos o animales muertos hasta desechos de comida y partículas que son muy grandes para poder manejarlas después después en los procesos procesos de tratamiento. tratamiento. El paso de tamizado es normalmente capas de remover las piezas grandes. El siguiente paso es remover cualquier solido remanente que haya pasado por el tamiz o filtración (es decir, finas) y los sólidos disuelto. Típicamente, las partículas finas y sólidos disueltos deben reaccionar o ser consumidos para sacarlos de flujo de desecho. Esto es particularmente cierto en el desecho de la cervecería donde la densidad de partículas finas es muy parecida al agua, haciendo la sedimentación un proceso de mucho tiempo.los sólidos disueltos están en solución y generalmente no pueden ser removidos por filtración, aunque la filtración con carbón activado puede ser útil para algunos contaminantes. contaminantes. El pH del del agua residual es usualmente usualmente ajustado antes de proceder con cualquier paso químico y/p biológico, para que esos pasos puedan realizarse más consistentemente y eficazmente. Después que los sólidos disueltos han sido eliminados o reducidos y concentrados, el sedimento (residuo) es colectado y enviado a un basureo o eliminado. El agua parcialmente purificada es normalmente
recuperada en uno o varios puntos durante el proceso y puede ser purificada después por una variedad de métodos, incluyendo osmosis inversa. Cada uno de estos procesos principales va a ser revisado en más detalle a continuación.
Remoción de sólidos suspendidos.
El agua residual de la elaboración de cerveza normalmente tiene altos volumen de sólidos suspendidos suspendidos que no deberían deberían estar en el el flujo de agua residual. residual. Estos sólidos pueden incluir granos gastados, lúpulos gastados, levaduras gastadas, proteínas, taninos, vidrios rotos y tapas de botellas. Las aperturas en los tamices de filtración en las plantas de tratamiento de agua municipales tienden a ser aproximadamente de 6mm de espacio o diámetro. De todos modos, los tamices de las cervecerías deben ser más finos y son normalmente de menos de 2mm de espacio o diámetro. El flujo de desecho es filtrado y continua en el siguiente paso, típicamente un tanque de contención o ajuste donde el pH es ajustado y la tasa de flujo es regulada para el próximo proceso. Los filtros para remover los sólidos suspendidos pueden ser estáticos o rotatorios, pero ambos necesitan un método de remoción de los sólidos atrapados y de limpieza de los agujeros para mantener el flujo. Los filtros estáticos usualmente tienen algún tipo de rastrillo, rasquera o escobilla para mantener el filtro limpio. Los filtros rotativos rotan para constantemente arrojar los sólidos recolectados y continuamente presentan una superficie limpia al flujo de desecho. Los sólidos recolectados de los filtros pueden ser usados en com postados o “mulch” para áreas verdes o enviado a un basurero, dependiendo de la composición-
Figura 38: El filtro rotatorio en uso en Sierra Nevada Brewing Co., Chico, CA.
Tanque de Ajuste de pH/estabilización.
El siguiente paso después del filtrado es normalmente el tanque de estabilización. Un tanque de estabilización sirve a dos propósitos: actúa como
reservorio par acumular y distribuir el agua residual a una tasa controlada y es normalmente donde el pH del agua residual es ajustado para estar en sintonía con los siguientes procesos como la digestión. La primer función es probablemente es obvia para la mayoría mayoría de los cerveceros, cerveceros, los cambios cambios de flujo son detenidos y salen del tanque a un flujo más constante. El ajuste de pH es entendible también, dadas las diferencia de pH entre la limpieza acida y las soluciones de limpieza caustica (CIP). Algunas cervecerías tienen sistemas automáticos que suministran ácidos o cáusticos para monitorear el pH del tanque, mientras que otros tienen un solo agente para los sistemas de dosificación. Si el tanque es lo suficientemente grande, descargas de flujos cargados de ácidos o cáusticos pueden ser moderados sin intervención. El punto es que el pH del efluente necesita ser controlado a un rango para que no complique los siguientes pasos del proceso. Si el efluente ef luente de una cervecería pequeña es simplemente echado a la cloaca hacia una planta de tratamiento local, entonces cualquier pH entre 5 y 11 es probablemente aceptable. Si el volumen de agua residual es mucho más grande o requiere más tratamientos dentro de la cervecería, entonces el rango de pH de 6-9 es mejor. Si el desecho va a ser digerido, como se discute más adelante, entonces un control más fino será necesario. Un flujo constante de fuente consistente de desecho es más fácil de manejar para todos.
Filtración de partículas finas.
Muchos de los sólidos suspendidos en el flujo de agua residual de una cervecería son muy pequeños, muchas veces menores de 1mm de diámetro. Estas partículas fin pueden ser carbohidratos, proteínas, proteínas, sílice de la filtración de la cerveza o levaduras. Mientras que los compuestos orgánicos pueden ser digeridos por otros procesos más adelante, es útil extraer agua purificada del flujo y reducir el volumen de agua residual que necesita ser tratado. La sedimentación es normalmente el método preferido para la separación de sólidos suspendidos en las otras industrias, pero los solido de la cervecería son más problemáticos. problemáticos. La densidad de las partículas de grano, lúpulos y turbio es muy similar a la del agua, por lo que lo sólidos no sedimentan rápidamente, grandes tanques de
almacenamiento serian necesarios para darle al material el tiempo necesario para sedimentar. Los coagulantes coagulantes y floculantes pueden ser usados, usados, pero estos químicos químicos son a menudo caros. Esta clase de partículas pueden sedimentar en reversa, por flotación con aire disuelto, pero nuevamente, los desechos de la cervecería tienden a ser problemáticos. El alto volumen de partículas finas, alto oxigeno disuelto y trazas de levaduras pueden crear una fermentación descontrolada en el recipiente de separación y un producto de desecho revuelto. Afortunadamente hay otras tecnologías disponibles para concentrar las partículas finas y una de las más populares es la micro-filtración usando tecnología de membranas. La micro-filtración usa un membrana con micro poros para filtrar agua purificada del agua residual. La micro-filtración es a menudo usada en birreactores de membrana (MBR) en sistemas de digestión aeróbica y esto va a ser discutido en profundidad en la siguiente sección. La micro-filtración es generalmente capas de filtrar levaduras y bacterias, y este tipo de filtros es comúnmente usado para el procesamiento de agua embotellada para eliminar microorganismo. Las células de levaduras son normalmente de 0,0050,019mm y las de bacteria 10 veces más chicas. El rango de tamaño de poro disponible para membranas de micro filtración es de 0,1-10 micrómetros (es decir, el mismo rango que las bacterias y levaduras). Las membranas pueden ser en cartuchos de fibra hueca, placa plana, tubos o espiral. En el procesamiento continuo, es útil tener las membranas acomodadas en estanterías o geometría similar para el fácil mantenimiento. mantenimiento. Durante la filtración, una diferencia de presión es aplicada a través de la membrana, típicamente succión, para empujar el agua filtrada del efluente. La diferencia de presión entre la zona de alimentación de la membrana y el lado del filtrado es llamada presión trans-membrana, o TMP. La presión típica de trabajo es 24psi (12-28kPa). La TMP va a aumentar a medida que el lado de alimentación de la membrana se llena de sólidos. La agitación del lado de alimentación por aire o líquido de limpieza para mantener una baja TMP y prevenir la acumulación de sólidos en las fibras de la zona de alimentación de la membrana. Por ejemplo, burbujas gruesas, generadas por un difusor por debajo de las membranas, crea un efecto de lavado que reduce la acumulación de sólidos en la superficie s uperficie de la membrana.
El ciclo usado incluye un paso paso de relajación o paso de remojo, donde la presión presión diferencial es reducida o nula. La filtración para por un periodo corto de tiempo (minutos) durante el paso de relajación para permitir el efecto de limpieza que remueva las partículas de materia más eficientemente. Este proceso puede repetirse varis veces por hora, dependiendo de la demanda. Mantenimiento periódico típicamente incluye un lavado químico semanal para remover los depósitos persistentes. Normalmente una concentración baja de solución de cloro u otro limpiador es inyectado en el lado del filtrado de las membranas a un flujo bajo por un tiempo preestablecido. La solución clorada remoja las fibras y poros de la membrana, rompiendo cualquier floculante que no fuera removido por la limpieza normal. Un paso de relajación sin presión puede ser usado para remover las partículas desprendidas y la operación normal puede seguir.
Digestión.
Las partículas finas y sólidos disueltos pueden ser eliminados por la digestión aerobica o anaeróbica usando microorganismos. Estos microorganismos pueden ser cualquier variedad variedad de bacterias, bacterias, protozoo, hongos, algas rotíferos rotíferos o incluso incluso gusanos, dependiendo del tipo de desecho que necesita ser reducido. Para los desechos de la cervecería, principalmente consiste en bacterias. Estos microbios son sensibles a la temperatura y el pH, trabajando mejor a 30-35ºC y un pH de 6,5-7,5. El rango de pH puede ser mayor, 5-9, pero el optimo es 6.5-7.5. El pH puede caer rápidamente en los sistemas de digestión debido a la generación de CO 2 y nitrato, aunque esto depende de las bacterias en el sistema. Si el pH cae, debe ser ajustado rápidamente para prevenir la muerta biológica y que se detenga el proceso. La baja alcalinidad del agua normalmente preferida en las operaciones de la cervecería es propensa a cambios en el pH debido a su baja capacidad buffer relativa. Las necesidades nutricionales de los microbios no deben ser ignorados. Usualmente los desechos de la cervecería suministran todo lo que necesita (fosfatos, calcio, magnesio, sulfato) pero algunas veces nitrógeno extra es requerido para mantener el crecimiento saludable, lo mismo que con las levaduras. Generalmente los
microbios requieren un desecho con una relación BOD/nitrógeno/fosfato de 100:5:1 para un mejor rendimiento. Una instantánea de un típico desecho de cervecería es dada en la tabla 25. El desecho de la cervecería puede variar considerablemente en fuerza dependiendo de los procesos del día. Generalmente un COD de >5000mg/l es considerado desecho de alta fuerza.
Tabla 25: desecho fuerte normal de una cervecería.
Parámetro COD total BOD total Sólidos suspendidos totales
Concentración Concentración (mg/l) 3000-5500 2000-3500 400-800
Producción típica 7,13-21,4 kg/m 3 -0,86-3,14 kg/m3
Hay dos opciones para la digestión: aeróbica y anaeróbica. Los microbios aeróbicos usan gases (principalmente oxigeno) para promover su crecimiento y digerir los efluentes. Los microbios anaeróbicos digieren los efluentes en la ausencia de oxigeno y producen gases (principalmente metano). metano). Ambos procesos pueden consumir casi todo el desecho BOD de la cervecería y producir un sedimento de biomasa que es muy bajo en BOD. En otras palabras, es prácticamente inerte y puede ser tirado a un basurero o usado como compost. Sedimentos de otras industrias pueden tener pequeñas cantidad de metales pesados u otros desechos peligrosos que pueden ser más difíciles de eliminar, pero el sedimento de la cervecería tiene el potencial de ser un útil producto.
Tratamiento aeróbico.
Los métodos de tratamiento aeróbico y equipamientos son muy simples: construir un gran tanque, instalar aireadores, agregar microbios y se estará reduciendo reduciendo BOD. La mezcla aireada de aguas residuales y microbios digiere el BOD del agua residual. La biomasa es después mandada a un clarificador donde el agua residual tratada es separada de los microbios y los microbios regresan al tanque de aireación para mantener el balance de biomasa y agua residual. Los sistemas aeróbicos manejan de mejor forma desechos de media y baja fuerza.
Tener cuidado de los aceites del lúpulo y sanitizantes.
Los microbios en los digestores no son inmunes a los lúpulos y sanitizantes que otros microbios que contaminan la cerveza. E l énfasis reciente en las IPAs y el “dry hopping” ha causado problemas para varias cervecerías que tratan sus propios
desechos, como los lúpulos inhiben tanto a los bichos como a los tratamientos. La mejor solución para esto es realizar pasos extras para eliminar el lúpulo usado del flujo de agua residual (mejor filtrado). f iltrado). Los sanitizantes son por supuesto anti microbianos, pero uno esperaría que fueran neutralizados en el tanque de estabilización. Desafortunadamente, esto no siempre sucede. Los sanitizantes con acido peracético parece que tienen la mayor actividad residual y pasos extra debería ser realizados para neutralizarlos antes de que entren en el digestor. Una adición caústica puede ayudar a desactivar el acido peracético peracético en el agua residual.
Figura 39: tanque de digestión aeróbica en Sierra Nevada Brewing Co., Chico, CA.
Figura 40: tanque de digestión aeróbica en New Belgium Brewing Co., Fort Collins, CO.
Los clarificadores pueden ser tanques o piletas. Los tanques pueden ser circulares con una entrada central y salidas alrededor del perímetro del tanque, o rectangulares con una entrada en un lado y una salida en el lado opuesto. La distancia entre la entrada y salida del tanque nos da el tiempo para que la biomasa no pesada se asiente y salga del flujo de agua residual. El agua clarificada se descarga en la parte superior del tanque, mientras que la biomasa sedimentada se colecta en el fondo del tanque y se bombea al tanque de aireación para digerir más BOD. El sedimento tratado es descartado del sistema y típicamente deshidratado para que sea más fácil de manipular y desechar. Hay varias opciones de desecho del sedimento disponibles, incluyendo la aplicación a la tierra, compostaje y relleno de tierras.
Las ventajas de los sistemas aeróbicos son que son fáciles de establecer y operar y pueden ser fácilmente agrandados. Cuando se operan correctamente, el olor del tanque aireado o de las piletas es mínimo con la mayoría de los gases consistiendo en CO2 y agua. Si se opera de forma inadecuada, las bacterias pueden morir, el tanque se vuelve anaeróbico y malos olores se van a producir. La economía actual de los tratamientos sugiere que los sistemas aeróbicos son mejores para cargas de hasta 2270kg de COD por día. Más allá de esa carga, los sistemas anaeróbicos deben ser más económicos. Algunas de las desventajas de los sistemas aeróbicos son los altos requerimientos requerimientos de energía para la aireación, una huella grande de procesamiento para los tanque/piletas y clarificadores y una gran cosecha de biomasa (es decir, sedimento tratado). La expansión (hacer mas tanques de aireación o piletas) es una buena cualidad pero usa un monto de espacio disponible. Algunas veces el enorme volumen de agua residual puede sobrepasar la capacidad del sistema, no por su fuerza, sino por po r su volumen. Acá es cuando el deshidratado se vuelve importante. La filtración de membrana puede ayuda a deshidratar el flujo de desechos y acá es donde los biorreactores biorreactores de membrana entran en acción.
Biorreactores de membrana (MBR).
El proceso de MBR remplaza la típica clarificación por sedimentación. Las unidades MBR tienen dramáticamente menor huella, del 5% o menos que el tanque original. Un MBR es básicamente básicamente un gabinete relleno relleno con soportes soportes de filamentos u hojas de micro filtración. EL MBR puede ser puesto dentro o al lado de los tanques digestores y trabajan filtrando el exceso de agua mientras mantienen la biomasa en el tanque. Las membranas pueden tanto micro filtrar (poros de 0,1 micrómetros) o ultra filtrar (poros de 0,01 micrómetros), dependiendo de las necesidades y pueden lograr casi una completa separación de las partículas y el agua. El agua permeada es normalmente libre de microbios y clara, con pocos sólidos suspendido (por ej. Taninos). El agua igual va a contener todos los sólidos inorgánicos disueltos (minerales) y alguno orgánicos sin digerir (fosfatos residuales, taninos, etc.) pero a niveles mucho
menores. Al mismo tiempo, el efluente más concentrado es retenido para la futura ruptura en el tanque de aeración. Un flujo de burbujas a lo largo de la parte exterior de los filamentos y hojas de micro filtración de los MBR ayuda a prevenir daños. Stone Brewing CO. ha usado este tipo de sistema al lado de un tanque de digestión aeróbico pro años y se ha probado muy confiable y de bajo mantenimiento. mantenimient o. Un MBR reduce el volumen total de agua en el sistema de tratamiento y provee una fuente de agua que puede ser usada rápidamente como agua para lavado de equipos que no sean críticos. El agua es biológicamente pura y potable, pero sin un agente desinfectante residual. Tiene más fosfatos disueltos (50ppm) y taninos que la fuente original de agua pero mucho menos que el agua residual. El El agua tiene tiene el color color del té (o de de la cerveza) y es ligeramente seca, con olor a tierra. En Stone, la mayoría de esta agua recuperada se pasaba por un sistema sistema de osmosis osmosis inversa para mayor purificación. Considerando el costo y la escases de agua en la cervecería de Stone (California del sur), la oportunidad para reciclar agua es interesante.
Tratamiento anaeróbico.
Los digestores aeróbicos son simples y eficientes pero son relativamente grandes y caros energéticamente para que funcionen. Por el otro lado, los digestores anaeróbicos tiene una huella menor, son más complicados de funcionar pero pueden pagarse por sí mismo con la producción de biogás que puede ser usada como combustible. Los digestores anaeróbicos son actualmente la mejor tecnología disponible para tratar el agua residual de las cervecerías. Esta tecnología usa recipientes cerrados para mantener el aire fuera del proceso y crear condiciones anaeróbicas. anaeróbicas . El El diseño más común de digestores anaeróbicos en las cervecerías de Estados Unidos en estos días son los de tipo UASB (flujo ascendente de lodos anaeróbicos) pero hay otros tipos en uso en las cervecerías también, cómo el EFB (cama fluidizada expandida) donde la turbulencia del líquido hace que la biomasa se agite. Estos sistemas unas tanques especializados y requiere de cuidado para la operación. Otra opción es un tanque cerrado con circulación forzada para mantener los contenidos bien mezclados. LMM (movimiento lineal de mezclado) es una
tecnología reciente reciente de mezclado energéticamen energéticamente te eficiente que que usa una bomba de bajo movimiento para mantener el contenido de tanque mezclado. Cada uno de estos sistemas de digestores cumple la misma tarea: convertir grandes cantidades de desechos cargados con BOD en gas metano, mientras produce menos sedimento que los procesos aeróbicos. Todos los digestores anaeróbicos usan bacterias productoras de metano para reducir los desechos. Formadores de acetato pueden estar presentes también, pero no son usualmente necesarios para tratar los desechos de la cervecería. Los formadores de acetato prefieren temperaturas más cálidas que los formadores de metano, para estos es 30-35ºC. Las bacterias anaeróbicas son muy sensibles al medio ambiente y pueden ser sobrepasadas sobrepasadas por levaduras. levaduras. El proceso proceso puede detenerse y requiere requiere constante atención. Los beneficios de los digestores anaeróbicos es que producen metano. Normalmente uno tiene tres opciones con el gas: liberarlo a la atmosfera (quemarlo), limpiarlo y usarlo en la cervecería o limpiarlo y venderlo. El biogás contiene otros gases además del metano, el cual es normalmente el 50-70% del total. La mayoría del resto son restos de sulfuro de hidrogeno y otros hidrocarburos. La limpieza consiste en remover estos contaminantes. Una vez limpio, el metano puede ser usado en las calderas o motores. El valor de calentamiento del biogás después del secado es normalmente 500-700 BTU/ft3, comparado con 1020 BTU/ft3 del gas natural y de alrededor de 2500BTU/ft3 para el propano. El secado es acompañado de la presurización y condensación.
Figura 41: sistema de digestión UASB. El biogás es colectado desde el centro.
Figura 42: la parte superior del sistema de digestión anaeróbica en New Belgium Brewing Co., Fort Collins, CO. El sistema anaeróbico debe ser cerrado del aire que lo rodea, entonces no hay mucho para ver desde afuera.
Deshidratación del sedimento.
El sedimento o biomasa que se produce de estos digestores es pobre en nutrientes y tiene poco olor. El agua debe ser removida del sedimento para poder eliminarlos y ahorrar costos de envío. El agua puede ser removida por filtración o centrifugación. Polímeros coagulantes pueden ser agregados al sedimento para facilitar el proceso de deshidratado y mejora su manejo. Por ejemplo, la centrifuga decantadora en Stone Brewing no funciona todos los días de la semana, y produce un sedimento seco (18% de agua) con bajo olor (huele a barro). La mayoría de los basureros no van a aceptar desechos líquidos, por lo que deshidratar el sedimento puede ser requerido si hacia allá va el material. Si el sedimento se aplica al suelo o se usa como enmienda solida, entonces la deshidratación puede ser opcional. Si bien el contenido de nutrientes es significativamente reducido por el proceso, el sedimento puede ser una enmienda adecuada para tierras agrícolas.
Resumen.
Las cervecerías cervecerías usan un montón de agua y a medida que los recursos de agua se vuelven escasos, la conservación del agua y el manejo se vuelven muy importantes. El tratamiento del agua residual en la cervecería puede ser manejado de muchas maneras, con pasos fáciles. El primer paso para cualquier cervecería, incluso las más pequeñas, es instalar un tanque de estabilización para moderar la fuerza y el volumen del desecho. Esto puede ser una gran ayuda para eliminar partículas finas cuando el agua residual va a las cloacas de la ciudad o una planta de tratamiento. Después, a medida que la cervecería crece, es el primer paso del tratamiento interno. A medida que el volumen de agua residual aumenta y los sobreprecios de las instalaciones de agua residual aumentan, aumentan, se vuelve más económico económico pre tratar el agua residual de de la cervecería. Si, cuesta tiempo tiempo y plata plata realizar estas tareas pero pero el esfuerzo nunca nunca se pierde. Preguntar a cualquier cervecería de medio tamaño sobre las inversiones para el tratamiento del agua dentro de la cervecería, y la respuesta más común es: “lo hicimos para ahorrar plata”.
Apéndice A. Glosario químico y cebador.
El propósito de este apéndice es proveer un glosario y cebador que facilite la discusión sobre el agua y la elaboración de cerveza a lo largo del libro. De todos modos, este glosario no es un diccionario general de palabras asociadas a la cerveza o términos cerveceros. Si no puedes encontrar un término que estas buscando, ver el índice, el término puede estar definido en el texto.
Δc0: c0: Delta C cero: el cambio en la carga desde el pH inicial del agua hasta 4,3 por
titulación de alcalinidad total. ΔcZ: cZ: Delta C Z: el cambio en la carga desde el pH inicial del agua hasta el pH de
macerado objetivo (Z pH). ºL: ºL: Grados Lovibond para el color de la malta. Ácido: Ácido: un acido es un donador de protones, de acuerdo a la definición de BrønstedLowry, el resto de la molécula se llama base conjugada. Por ejemplo, el compuesto iónico HCl es un acido y donador de protones, el resto, Cl-1, es la base conjugada. Un acido monoprótico tiene un protón para dora y un acido poliprótico tiene más de uno. Acidez: Acidez: la cantidad de base necesaria para cambiar el pH de una sustancia por una cantidad definida La acidez debe ser siempre definida con respecto a un punto final específico de pH o magnitud de cambio de pH. Álcali: Una sustancias que es una base o más específicamente, específicamente, una sal básica iónica de un metal alcalino o un metal terroso alcalino (es decir, las primeras dos columnas de la tabla periódica de los elementos). Alcalinidad: Alcalinidad: La cantidad de acido necesaria para cambiar el pH de un sustancia para una cantidad definida. La alcalinidad debe ser definida siempre con respecto a un punto final específico específico de pH o una magnitud de cambio de pH. Amina: Una amina es una estructura química derivada del amonio donde uno o más de los hidrógenos fueron remplazados por un alquil o grupo alquilo. Un amino acido es una amina que consistes en acido carboxílico y moléculas orgánicas de cadena de varios tamaños. Alcalinidad residual: residual: ver capitulo 4.
Alcalinidad Z: Z deriva de la palabra alemana “Ziel” , que significa objetivo e indica que la alcalinidad de carbonatos es calculada con respecto a un pH de macerado objetivo, en vez que a un punto final estándar de titulación de 4,5 o 4,5 para la determinación de la alcalinidad total. La alcalinidad Z es siempre más pequeña que alcalinidad total para la misma agua. Ver capitulo 4 para la explicación y como usarla. ASBC: ASBC: Asociación americana de química de la cerveza. Átomo: Átomo : El átomo es la unidad básica de todos los sólidos, liudos y gases del mundo. Un átomo es la unidad más pequeña de un elemento, como un átomo de oxigeno, hierro o carbono, opuesto a molécula. Ver molécula. Masa atómica: la unidad fundamental de la escala atómica de masa es la unidad unificada de masa atómica simbolizada con “u” y algunas veces se refiere como Dalton
(Da, la abreviación), especialmente para bioquímicos. El peso atómico de un átomo es su peso expresado en u o Dalton. Un Dalton o u es definido como 1/12 de la masa del átomo de carbono12. Un Dalton es igual a la masa de alrededor 1,6605x10-10 gramos. Los protones y neutrones tienen tienen una masa atómica de 1u. Para ser precisos, la masa de un protón es definida como 1.00727647012u y la de un neutrón es 1.00866490414u. La masa de un electrón es 5.48579903 x 10-4 u. Esto es 0,05% de la masa de un protón, p rotón, esto es el porqué la masa de los electrones no es considerado significante para los cálculos Base: Base: una base es un aceptor de protones, de acuerdo con la definición de BrønstedLowry. Cundo un base acepta un protón, el remanente de la molecular se llama acido conjugado. Por ejemplo, el compuesto iónico Ca (OH) 2 es una base y cuando acepta protones, el remanente, Ca +, es le acido conjugado. Biocida: Biocida: un pesticida o agente anti microbial que puede impedir o inhibir cualquier organismo dañino de forma química o biología. b iología. Un desinfectante o sanitizador. BOD (demanda biología de oxigeno): oxigeno): la prueba de BOD mide la cantidad de compuestos orgánicos biodegradables en una muestra de agua residual midiendo la cantidad de oxigeno consumido por las bacterias en una incubadora durante un periodo de 5 días, se expresa como mg/l de O 2. Buffer: Buffer: un buffer es tanto un acido débil o una base ba se débil que reacciona para moderar el cambio de pH de una solución. La forma en que trabaja es que la constante de disociación del buffer esta cerca del pH de la solución, s olución, por lo que cuando otro químico
es agregado, como un acido o base fuerte, el agente de buffer se disocia o re-asocia de acuerdo al principio de Le Chatelier para mantener el equilibrio y por lo tanto minimiza el cambio de pH. Un buffer es más efectivo cuando el pH esta cerca de pK del compuesto buffer y cuando tiene uno o varios iones en común con el químico que se agrega a la solución. Burtorización: Burtorización: el acto de agregar sales, principalmente sales de sulfato al agua para imitar la famosa agua de Burton-upon-Trent de UK. Especies de carbonato: algunas veces referido como carbono o sistema de carbono, las especies de carbonatos son cualquier de las tres formas que ocurren naturalmente en el agua: acido carbónico (H2CO3), bicarbonato (HCO3 -) y carbonato (CO3-2). La suma de estas especies se cuantifica normalmente como CT o alcalinidad total como CaCO3. Ver CT y alcalinidad total. Capacidad buffer: buffer: la capacidad buffer de una sustancia es su habilidad para resistir un cambio en el pH, en mEq//pH L o mEq/pH kg, dependiendo. La cantidad e acides o alcalinidad de una sustancia es igual a la capacidad buffer de una sustancia multiplicada por el cambio en el pH. Muy similar a la relación entre corriente, resistencia y voltaje, con relación a la ley de Ohm O hm (I= RxE) Carga: Carga: la carga de valencia de un ion y/o el numero de equivalentes por mol que el ion representa. Un acido o base fuerte tiene una carga constante, pero la carga por mol de un acido o base débil puede variar con el pH como en el caso del carbonato y bicarbonato, y ácidos débiles polipróticos como el acido fosfórico. CIP: CIP: lavado en el lugar. COD (Demanda química de oxigeno): oxigeno) : La prueba de COD mide tanto orgánicos biodegradables como no biodegradables mediante la medición de la cantidad de oxidante fuerte (normalmente dicromato de potasio) que reacción con la muestra. La prueba e COD sobre estima la cantidad de contaminantes orgánicos en el agua comparada con la prueba de BOD, pero es rápida y consistente haciéndola haciéndola valiosa para planear los tratamientos de agua necesarios. Compuesto: Compuesto: un compuesto es una sustancia química única e identificable compuesta de dos o más elementos. Un compuesto es formado y puede ser roto por reacciones químicas y tiene una estructura definida que lo mantiene unido por enlaces químicos.
Constante de Avogadro : 0,022 x 10 23 “cosas” por mole. Considerada sin dimensiones, pero se derivo para describir el numero de átomos en un gramo-mol de oxigeno, es decir, el numero de átomos de oxigeno en 1 mol de oxigeno pesa 16 gramos. Un mol de banana debería ser 6,022 x 10 23 bananas. Ver mol. Constante de disociación de un acido: acido : una constante de disociación de un asido es un tipo de constante de equilibrio que describe que tan fuertemente disociada es una molécula de acido, es una medida de la fuerza de un acido. Por ejemplo, el acido fosfórico es un acido poliprótico y tiene tres constantes de disociación, una para cada protón. La primera (pK1) es 2,14, la segunda (pK2) es 7,20 y la tercera es (pK3) es 12,37. Un criterio para considerar a un acido fuerte (o fuertemente disociado) es si el pH de la solución es al menos dos unidades más alto que el pK del acido. De todo modos, el primer protón de H3PO4 es fuertemente disociado al pH de macerado, como se puede ver en la figura 47, apéndice b. el segundo protón no va a ser fuertemente disociado a no ser que el pH del macerado o solución sea de 9,20 o mayor. Para el tercer protón para ser fuertemente disociado, el pH de la solución debe ser de 14,37 o mayor, lo cual es difícil de crea. Constante de equilibrio: equilibrio: una constante de equilibrio (K) debería ser la relación de la actividad química de los productos de la reacción sobre los reactivos, pero también puede ser descripta como la concentraciones de productos y reactivos, donde las concentraciones son normalmente aumentadas a una potencia de acuerdo a los coeficientes coeficientes químicos de reacción. aA + bB ↔ cC + dD
K = ([A]a×[B]b) / ([C]c×[D]d) Las constantes de equilibrio pueden ser números muy pequeños, como 1,6x10-9 y de todas maneras ser citados citados como pK, donde la constante es el logaritmo negativo del numero, como en pH. CT: CT: los moles totales de las especies de carbono ((H2CO3, HCO3-, CO3-2) en solución. La alcalinidad del agua debido a los carbonatos es igual a CT multiplicada por el cambio en la carga como función del pH. Ver capitulo 5 para la explicación. Da (Dalton): (Dalton): ver masa atómica. DBP (subproductos de la desinfección): desinfección): un subproducto de la desinfección con cloro como ser THM o HAA5.
DI: DI: agua des ionizada. DIY: DIY: hazlo vos mismo. Dispersante: Dispersante: un dispersante actúa para bajar la tensión superficial del liquido o de otra manera, actúa para hac er una sustancia mas “mojable”, como un surfactante, pero también actúa como un des floculante para prevenir que una sustancia forme incrustaciones incrustaciones en la presencia p resencia de un liquido. EBC: EBC: convención europea de elaboración de cerveza. EBCT: EBCT: tiempo de contacto de la cama vacía, es decir, la cantidad de tiempo que un volumen particular de agua está en contacto con el filtro de carbón. Ecuación química: química: una ecuación química describe los reactivos y productos de una reacción química. En la forma general A + B ↔ C + D . la extensión de la reacción es descripta por la constante de reacción o equilibrio. Ver constante de equilibrio y estequiometria. EDTA: EDTA: acido etilendiaminotetracetico, un agente quelante comúnmente usado para disolver las incrustaciones de calcio. Elemento: Elemento : los elementos son identificados por el número de protones (partículas cargadas positivamente) en el núcleo, esto es conocido como el número atómico. Por ejemplo, el carbono tiene 6 protones, el oxigeno 8 y el oro 79. Si un átomo tiene un numero diferente de protones en su núcleo que otro átomo, es un elemento diferente. Si uno tiene un átomo de carbono y lo manipulas para sacar un protón del núcleo, ya no es más carbono, ahora es boro (numero atómico 5). Emulsionante: Emulsionante: un emulsionante actúa para estabilizar una emulsión, lo cual es una mezcla no estable de dos líquidos, como la mayonesa. EPA: EPA: agencia de protección del medio ambiente de estados unidos. Equilibrio: Equilibrio: un equilibrio químico es un estado en el cual las concentraciones de reactivos y productos no cambian con el tiempo. Un sistema está también en equilibrio cuando las reacciones hacia adelante se dan a la misma tasa que las reacciones reversar. La tasa de reacción de las reacciones hacia adelante u reversa no son cero, pero iguales. iguales. Por lo tanto, tanto, no hay cambios cambios netos en las concentraciones concentraciones de los reactivos y productos. Equivalente: Equivalente: un equivalente es una cantidad de sustancia que va a reaccionar o suplir un mol de iones de hidrogeno (es decir protones) en una reacción química.
Estequiometria: Estequiometria: la estequiometria es la rama de la química que trabaja con las cantidades relativas de reactivos y productos, para que una ecuación balancea normalmente forme relaciones positivas enteras. Una ecuación de reacción balanceada no tiene exceso o deficiencia de reactivos. Por ejemplo: Ca+2+ 2HCO3-1 ↔ CaCO3 (ppt) + CO 2(g) + H2O En otras palabras, un mol de iones de calcio (Ca +2) reacciona con dos moles de iones de bicarbonato (2HCO3-) para formar un mol de carbonato de calcio precipitado (ppt), un mol de dióxido de carbono gaseosos (g) y un mol de agua. Notar que el numero de átomos de calcio en cada lado de la ecuación es el mismo (1), el numero de átomos de carbono en cada lado es el mismo (1), lo mismo para el oxigeno (3) y el hidrogeno (2). También, la suma de las cargas del lado derecho (+2,2 -1 = 0) es igual a la suma de las cargas del lado izquierdo (0). Esta ecuación esta balanceada. Las cargas están balanceadas. Además, si contamos todos los átomos de un lado de la flecha témenos el mismo número que del otro lado. Esta es la definición de ecuación balanceada. Como con las estructura de alas oraciones, una ecuación balancea no siempre es correcta pero una ecuación desbalancea es siempre incorrecta. Surfactante: un surfactante actúa como un agente mojante, disminuyendo la tensión superficial entre un un liquido y un sólido. só lido. FDA: FDA: administración sobre comida y drogas de los estados unidos. GAC: GAC: carbón granular activado, ver capitulo 8. Relación de molienda: más específicamente la relación agua-molienda, es una relación de peso de kilogramos de agua a kilogramos de granos (es decir, litros a kilogramos), y es por lo tanto normalmente anotada sin unidades. SI la relación está siendo discutida en otras unidades, como “cuarto de galón por libra” (qts/lb) entonc es las unidades deben ser incluidas. La conversión general entre “cuarto de galón por libre” a litros por
kilogramo es 1qt/lb=2l/kg. HAA5: HAA5: ácidos halo acéticos. Ver capitulo 3. Iones: Iones: Normalmente, el numero de electrones en un átomo es igual al nuero de protones en el núcleo y un átomo es considerado por lo tanto eléctricamente neutral. Un átomo con un número diferente de electrones que de protones no es neutral y es llamado ion. Los iones son naturalmente creados durante las reacciones químicas con otros elementos y/o compuestos. Los iones pueden ser tanto elementos o
compuestos. La diferencia en la carga de electrón del ion con relación al elemento/compuesto base se llama valencia y se indica como un superíndice, Ca+2, Na+ o SO4-2. Los electrones son partículas que están cargados negativamente y por lo tanto un átomo/compuesto que pierde electrones se vuelve mas positivo, y un átomo/electrón que gana electrones se vuelve más negativo. Los aniones son iones negativamente cargados y los cationes están cargados positivamente. Isotopo: Isotopo: un isotopo de un elemento es un átomo con un número de neutrones diferentes en el núcleo de lo que es considerado típico, aunque sea engañoso. No hay una proporción correcta única de neutrones para un elemento (como no hay un estilo normal de cerveza) pero algunos isotopos ocurren más frecuentemente que otros en la naturaleza. Un elemento puede tener varios isotopos. El ejemplo más común es el uranio (numero atómico atómico 92), el cual tiene 3 isotopos que que ocurren naturalmente en la naturaleza, U238, U235 y U233. U238 tiene 146 neutrones en el núcleo, U235 tiene 143, etc. El isotopo más estable de un elemento no es llamada normalmente como isotopo, ejemplo, el carbono 12 es llamado carbono, como puesto al carbono 14, el cual se entiende que es la forma menos común de carbono. Ley de Dalton: Dalton: la presión total en un sistema es la suma de las presiones parciales de los gases del sistema. Ley de Henry: Henry : A una temperatura constante, la cantidad de un gas que se disuelve en un tipo y volumen dado de líquido es directamente proporcional a la presión parcial del gas en el equilibrio con el líquido. MBAA: MBAA: la asociación de Master brewers de las Américas. MBR: MBR: biorreactor de membrana. Ver capitulo 9 MCL: MCL: nivel máximo de contaminante. Ver capítulo 3. MCLG: MCLG: objetivo de máximo nivel de contaminante. c ontaminante. Ver capitulo 3. Melanoidinas: Melanoidinas: las melanoidinas melanoidinas son polímeros pigmentados rojos rojos y marrones que que se formar por la reacción de Maillard de azucares del tipo aldehídos y amino ácidos. Son responsables responsables de muchos de los aromas y sabores de los alimentos tostados y cocidos. Milival: Milival: un termino de mili equivalente por litro, uso europeo. Molar (M): (M): unidad de concentración: un mol de soluto por litro de concentración. Mol:: el termino mol deriva de gran molécula y es usado para describir una cantidad de Mol “cosas” químicos igual. Estas cosas pueden ser átomos o moléculas (o iones o cargas
eléctricas) y es útil para los químicos para describir las cantidades de cosas involucradas en una reacción química. Así, podemos decir que dos moles de hidrogeno reaccionan con un mol de oxigeno para producir un mol de agua. De todos modos, el mol fue desarrollado con la llegada de la teoría atómica mientras los científicos estaban cuantificando la masa atómica y había tres candidatos para el estándar, hidrogeno, oxigeno y carbono. Eventualmente, el isotopo de carbono 12 fue elegido y el mol se definió como el numero de átomos en 12 gramo de carbono 12. Así mismo, m ismo, el numero de Avogadro fue definido como el numero de átomos en un mol de carbono 12 y este número fue experimentalmente determinado de ser 6.02214078 x 1023 +/1.8 x 1017. Un isotopo de un elemento tiene el mismo número de protones en el núcleo que el elemento parental, pero un número diferente de neutrones. Por ejemplo, la nomenclatura Carbono12 significa que el átomo contiene 6 neutrones además de 6 protones, representado por su número atómico, atóm ico, 6. Molécula: Molécula: un molécula es la unidad más pequeña de una sustancia poli atómica reconocida, consistiendo consistiendo en dos o más átomos del mismo o diferentes elementos. Número atómico: atómico: el numero de protones en el núcleo del átomo. El numero atómico diferencia y define cada elemento en la tabla periódica. Par acido/base: acido/base: el acido asociado y la base conjugada o la base y acido conjugado, como se refiere a pares acido/base. Peso atómico: atómico: el peso atómico de un elemento es el peso promedio de la masa de los isotopos de un elemento. El peso atómico de un elemento es usado para los calcules del peso molecular, pesos equivalentes, etc. Ver masa atómica e isotopo. Peso molecular: molecular: el peso molecular, algunas veces referido al peso de formula de una sustancia es igual al peso total de todos los átomos que lo comprenden. El peso molecular del agua es18 gramos por mol, compuesto por dos hidrógenos y un oxigeno. Un mol de agua pesa 18 gramos y consisten en el número de Avogadro de moléculas de agua. El peso molecular molecular de un a sal hidratada como como el cloruro de calcio calcio incluye el peso de dos moléculas de agua que q ue están asociadas. NOM: NOM: materia orgánica natural. Normal (N): (N): unidad de concentración: un equivalente de soluto por litro de solución. Notación científica y números significativos: significativos: la notación científica provee una forma conveniente para expresar números muy grandes y muy pequeños. La notación
científica simplifica un número expresándolo como un decimal (mantisa) multiplicado por la potencia de 10 (exponente). Normalmente, la mantisa se escribe con solo un digito a la rececha del decimal y el resto detrás. Ejemplos: 150 billones de células de levaduras se puede escribir como 1,5x10 11 o una concentración de calcio de 155ppm, es lo mismo que decir 155x 10 -6, que también puede ser s er escrito como 1,55x10 -4 que es igual a 0,000155. También es común escribir los exponentes en múltiplos de 3, es decir, miles, millones, billones y eso se refiere a notación ingenieril. Entonces, 150 billones pueden escribirse como 150x10 9. El numero de dígitos, incluyendo el 0, que siguen al decimal indican el grado de precisión del número y se llaman números significativos. Los dígitos significativos son importantes en pesos y medidas porque nos dicen la resolución de las mediciones. Las reglas para dígitos significativos son las siguientes: 1- cualquier numero que no sea 0 es significante, 155 tiene 3 dígitos significativos. 2- un 0 entre dos números que no sean 0 es significativo, 107 también tiene 3 dígitos significativos. 3-cualquier 0 detrás del punto decimas es significativo, 1,4100 tiene 5 dígitos significativos. 4- un número conteniendo 0 sin un punto decimal es ambiguo. Por ejemplo, el numero 1500 puede ser un numero redondeado, alrededor de 1500. Más precisión puede ser indicada si el ultimo 0 es subrayado o por la adición de un punto decimal, por ejemplo, 1500 (3) o 1500. (4). Estas reglas aplican para notación científica también. El numero 1,500x10 3 tiene 4 dígitos significativos, contra 1,5x103 tiene solo 2. La notación científica también simplifica los cálculos. Para multiplicar dos números en notación científica, multiplicar las manitsas y sumar los exponentes. Para dividir dos números en notación científica, dividir las mantisas y restar los exponentes. Ejemplo, 2x1011/4x102 =0,5x109 =5x108. NTU: NTU: unidad de turbidez nefelometríca. nefelometríca. Oxalato: Oxalato: el oxalato o etanodioato, tiene la estructura química (COO)2-2 y en asociación con calcio es el re sponsable de los cólicos renales y “beerstone”. La precipitación de los cristales de oxalato de calcio en la cerveza embotellada puede crear sitios de nucleación para la rápida evolución de burbujas de dióxido de carbono,
llamado “gushing”. Los factores qu e afectan el nivel de oxalato en la malta no están
bien entendidos. Oxidación: Oxidación: la oxidación no es solo la corrosión de metales. Es la perdida de electrones o el aumento en el estado de oxidación de una molécula, átomo o ion. La perdida de electrones tabeen puede ser considerada como una ganancia de protones, es decir, aceptación de protón, como una base. Oxidante: Oxidante: el nombre químico formal para el agua. PAC: PAC: carbón el polvo activado. PCE: PCE: tetracloroetileno. pH: pH: en química, pH es la medición de la actividad de los iones de hidrogeno en solución, basado en la concentración. El concepto fue introducido por Soren P. L. Sorensen en los laboratorios Carlsberg en 1909 y revisada para el uso moderno en 1924. El uso actual en química equipara la terminología con el logaritmo negativo de la constante de disociación como en pK. pH metro: metro: un buen pH metro va a costar unos cientos de dólares, pero la mayoría de ese costo esta en el electrodo. Los métodos electrónicos tienen a ser similares en estos días. Hay que tener un medidor con una precisión de al menos +/-0,05 de pH, sino +/0,02 y ATC. ATC mantiene la probeta en calibración cuando la temperatura de la muestra es varios grados fuera de la temperatura de calibración. Dos puntos de calibración son mejores que un solo punto. Un buen electrodo puede ser cerrado o recargable y tener una resolución de +/-0,02 de pH o menor. Un electrodo de doble unión es menos propenso a contaminación que uno de simple unión, lo cual es importante cuando se trabaja con soluciones viscosas y pegajosas como el mosto y cerveza. Algunos modelos de electrodo tienen juntas lavables, las cuales permiten la fácil limpieza y vida más larga. pK: pK: el logaritmo negativo de la constante de equilibrio. Ver constante de equilibrio o constante de disociación. Ppb: Ppb: partes por billón Ppm: Ppm: partes por millón, equivalente a miligramos por litro para soluciones diluidas como el agua o el mosto. Principio de Le Chatelier: Chatelier: este principio puede ser descripto como: un equilibrio va a reaccionar a un cambio en concentración, temperatura, volumen o presión para
mantener el equilibrio o establecer un nuevo equilibrio, dependiendo del tipo de cambio. Esto generalmente significa que si la concentración de los reactivos químicos aumenta, la concentración de los productos de reacción va a aumentar, de acuerdo con la constante de equilibrio. Quelacion: Quelacion: un tipo de enlace molecular entre iones de metales o otras moléculas. Es un enlace más débil que un enlace iónico o covalente, donde el ion de metal esta solamente asociado fuertemente con el agente quelante y puede ser separad sin que se requiera una reacción química. Puede ser comparado con el uso cinta en vez de soldadura para unir dos partes. Química: Química: la química es, hablando en general, la ciencia que describe la material y la forma en que se comporta comporta bajo condiciones condiciones particulares. particulares. Es una materia materia general, general, englobando sub-disciplinas como química general, química analítica, bioquímica, química física, electroquímica, química orgánica e inorgánica, química cuántica, química de polímeros, biología molecular y química nuclear. La química de lagua toda varias de estas: química general, química inorgánica y química física. La química general se ocupa de las cuestiones generales de la formación de la materia: electrones, protones y neutrones y la forma en que se combinan para formar los elementos químicos y compuestos. La química orgánica se ocupa de los compuestos que contienen carbono (tanto de cosas vivas, como lo sugiere el nombre o sintéticos) y la química inorgánica cubre todo lo demás. El estudio del agua para hacer cerveza cae principalmente dentro de la inorgánica. Mucho se dice sobre carbonatos, que tiene carbono de hecho, pero el carbonado de calcio es un mineral y por lo tanto no es considerado orgánico. La química física se ocupa de las propiedades de las soluciones y gases, hasta donde se disuelven las cosas, como los ácidos y bases actúan en función del pH y el equilibrio químico, que son muy importantes para la química del agua. Reacción de Maillard: Maillard: el proceso del amarronamiento no enzimático de la comida es nombrado por el químico francés Louis-Camille Maillard, que fue el primero que lo describió en 1912. La química de este proceso más tarde definida por el químico americano John Hodge en 1953, donde los amino ácidos y el azúcar reacciona para producir cientos de compuesto, muchos de los cuales tienen sabor y aroma asociados a la comida. Ver melanoidinas.
Reducción: Reducción: la reducción es la ganancia de electrones o la disminución en el estado de oxidación de una molécula, átomo o ion. La ganancia de electrones puede también ser considerada como la perdida un protón, es decir, donación de protón, como en un acido. RO: RO: osmosis inversa. SAC: SAC: catión de acido fuerte, es decir, tipo de resina de intercambio catiónico. Ver capitulo 8. Sal: Sal: una sal es un compuesto iónico (es decir, mantenido unido por la diferencia electroestática de cargas) que puede resulta de la re-neutralización de un acido y una base. El carbonato de calcio es una sal de acido carbónico e hidróxido de calcio. La sal de mesa es la sal del acido hidroclórico e hidróxido de sodio. El acido y la base puede ser de cualquier tipo, estos ejemplos unas formas de hidróxido. SBA: SBA: anión de base fuerte, es decir, tipo de resina de intercambio iónico. Ver capitulo 8. SMCL: SMCL: nivel máximo secundario de contaminante. Ver capitulo 3. SRM: SRM: método de referencia estándar de la ASBC para determinar el color de la cerveza. Series de Taylor: Taylor: una serie de Taylor es una expansión matemática representando una función como una suma infinita de términos que son calculados de los valores derivados de la función e un punto. La ecuación describiendo el ajuste de una curva polinomial es un ejemplo de polinomio de Taylor, donde una suma finita de términos es usada para describir la función. TCE: TCE: tricloroetileno, un solvente industrial. TDS: TDS: sólidos totales disueltos, es decir, cualquier cualquier ocas que este disuelta en agua, como cloruro de sodio, azúcar o carbonato de calcio, etc. Titulación: Titulación: un procedimiento común de laboratorio para determinar una concentración desconocida de un soluto conocido. Es también conocido como análisis cuantitativo o volumétrico debido a que las mediciones de volumen juegan un papel crítico. En la titulación de acido-base, un reactivo, normalmente un acido o base fuerte, es preparado como solución estándar. La cantidad específica de reactivo (volumen x concentración) usado para cambiar el pH de la solución hasta un punto final especifico especifico determina la concentración concentración desconocida desconocida del soluto. La titulación titulación usa con frecuencia un colorante que cambia de color, llamado indicador, para determinar
visualmente cuando el punto final se alcanzo, sin embargo el uso de pH metros digitales para monitorear el progreso se está convirtiendo en más común. TOC: TOC: carbono orgánico total. TTHM: TTHM: trialometanos trialometanos totales, un DBP. UASB: UASB: flujo ascendente de manto de lodos anaeróbicos. Ver capitulo 10. UV: UV: luz ultravioleta. WAC: WAC: catión de acido débil, es decir, tipo de resina de intercambio. Ver capitulo 8. WBA: WBA: anión de base débil, es decir, tipo de resina de intercambio. Ver capitulo 8.
Apéndice B. Acidificación del agua de lavado o de elaboración de cerveza.
Nota: si bien la acidificación del agua para elaborar cerveza fue discutido, la pregunta en relación a la acidificación que más seguido aparece es: “¿ qué pasa con el calcio?”. En respuesta A. J. deLange deLan ge contribuyo generosamente lo siguiente.
Un modelo para estimar el pH de macerado fue presentado en el capítulo 5, donde la influencia de cada malta y del agua fue tabulada y resumida para determinar tanto: a) el pH de macerado que mejor se ajusta la condición de suma 0, o b) el numero de mili equivalentes de acido o base necesarias para hacer 0 la suma final con respecto a un pH objetivo (Z). Este apéndice se va a concentrar en el agua y presenta tablas y métodos para determinar el efecto de la acidificación en la alcalinidad total en el agua si un acido fuerte es usado para llevarlo a un pH particular en el rango general de macerado (5,2, 5,5, 5,75 y 6). Los gráficos también estiman el efecto en los niveles de calcio en el agua si acido fosfórico es usado para la acidificación, como opuesto al acido láctico o acido hidroclórico, por ejemplo. Los cerveceros deben sobreponerse a dos fuentes de buffer para cambiar el pH de macerado desde un valor inicial hasta el valor objetivo Z: los bicarbonatos en el agua y pares acido/base en la malta. La capacidad buffer de los pares acido/base en cualquier malta esta mejor expresada por las curvas de titulación como aquellas en el capítulo 5. Cuando acidificamos el agua para hacer cerveza o el agua de lavado antes del macerado, estamos solo preocupados con la capacidad buffer del agua y los mEq/l de acido para sobreponernos a eso. Si vamos a acidificar el agua hasta un pH de 4,3, la capacidad buffer del agua será la alcalinidad total del agua en mEq/l dividido por el cambio en pH. mEq/L de acido = capacidad buffer (pH2-pH1) La cantidad de acido que vamos a necesitar para acidificar el agua hasta el pH de macerado (5,5) es por lo tanto menos que la alcalinidad total mEq, típicamente 10 a 20% menos. Acá es donde el concepto de alcalinidad Z entra, como introducimos en el capítulo 5. Lógicamente, una vez que llevamos el agua al pH de macerado, ningún tratamiento adicional al agua es requerido y la única preocupación remanente es la
capacidad buffer de las maltas (donde, hay que admitirlo, mas investigación es necesaria). Este acercamiento acercamiento sugiere que las curvas incrementales incrementales para 50, 100, 150 y 200ppm de alcalinidad total como CaCO 3 van a ser muy utiles para planear el tratamiento de agua. La forma más fácil para explicar cómo usar estos gráficos es con el ejemplo.
Ejemplo 1: determinación de las adiciones de acido para reducir la alcalinidad y bajar el pH. Asumamos que tenemos un agua que tiene la siguiente sigu iente composición: 16 ppm Ca 50 ppm alcalinidad total como CaCO 3 pH de 7.5 Pequeñas cantidades de magnesio, sodio, cloro y sulfato.
Nuestro objetivo es acidificar el agua al pH de macerado objetivo de 5,5. ¿Cuánto acido debemos usar? ¿Y cuanta alcalinidad vamos a neutralizar? Mirar la figura 43 (alcalinidad 50ppm como CaCO 3). La leyenda para el grafico es divida en cuatro niveles de pH para tres condiciones. Los cuatro niveles de pH son 6,0(círculos), 5,75 (triángulos), 5,5 (cuadrados) y 5,2 (triángulos invertidos). Las tres condiciones son: Sat. Ca+2; H3PO4; pH (X) = saturación de calcio a pH (X), usando acido fosfórico (línea de puntos). Rem. Alc.; H3PO4; pH (X)= alcalinidad remanente después de acidificar con acido fosfórico a pH (X) (línea truncada). Rem. Alc.; H2SO4; pH (X) = alcalinidad remanente después de acidificar con acido sulfúrico a pH (X) (líneas solidas).
Las líneas con cuadrados son para pH 5,5. La línea solida con cuadrados es la tercera condición, “Rem Alc. H2SO4, pH 5,5” indicando que esta es la cur va que
muestra el efecto de acidifica a pH 5,5 usando acido sulfúrico. En realidad, esta curva sirve para un acido fuerte, como láctico o hidroclórico, la misma curva. El acido
fosfórico tiene su propia curva (segunda condición) porque es un acido débil y no se protona totalmente (mas sobre esto más tarde). La forma en que esto funciona es que vamos hasta la intersección de nuestra curva (Rem. Alc.; H 2SO4, solida con cuadrados) y el pH 7,5 del agua con que comenzamos, y leemos la alcalinidad remanente (ppm como CaCO 3) en el lado derecho de la escala. El valor es de alrededor de 6. Notar que la escala es logarítmica, es decir, que los valores van de 2 a 10ppm y 10 a 50ppm. La respuesta a nuestra segunda pregunta, “¿Cuánta alcalinidad a lcalinidad neutralizamos?” es 50-6=44ppm como CaCO3.
Y esta respuesta es lo que nos permite responder nuestra primer pregunta, “¿cuánto acido vamos a usar?”, dividiendo el cambio en la alcalinidad por su peso
equivalente, 44/50=0,88mEq/l. Entonces, 0,88mEq de acido (por litro) es necesario para neutralizar la alcalinidad. Asumiendo que tenemos preparado una solución 1 Normal de acido sulfúrico (1N = 1mEq/ml), vamos a requerir 0,88miliitros de acido 1N por litro de agua que queremos acidificar. La tabla 26 lista las concentraciones de ácidos y los volúmenes para preparar concentraciones 1N.
Tabla 26: preparar una solución 1 Normal de ácidos comunes. Acido
Solución stock
Densidad
Molaridad
Ml de acido por litro de
(w/w%)
(kg/l)
(M)
solución 1N
hidroclórico
10%
1,048
2,9
348
hidroclórico
37%
1,18
12,0
83,5
Láctico
88%
1,209
11,8
84,7
Sulfúrico
10%
1,07
1,1
458,3
Sulfúrico
98%
1,84
18,4
27,2
Fosfórico
10%
1,05
1,1
935
Fosfórico
85%
1,69
14,7
68
*el fosfórico es aproximadamente monoprótico al pH de macerado.
La razón que vemos para resolver este problema de atrás hacia adelante (es decir, encontrando la alcalinidad remanente y después determinando cuanto acido debemos usar) se debe a que la química es compleja, requiriendo cálculos iterativos para resolverlo. De todos modos, hemos resuelto las ecuaciones para condiciones
específicas para poder generar curvas que nos permitan interpolar valores para la mayoría de las condiciones.
Ejemplo 2: determinando las adiciones de acido fosfórico para reducir la alcalinidad y bajar el pH.
Ahora repitamos el ejemplo 1 usando acido fosfórico. El acido fosfórico es un acido débil que no se protona completamente. En otras palabras, el número de hidrógenos liberados (o la carga por mmol) cambia dependiendo del pH de la solución, como lo hacen los carbonatos. El grado de protonación (es decir, mEq) es dado como una función del pH en la figura 47. Notar que el valor va de 1 a 1,35, si bien el acido fosfórico (H3PO4) tiene 3 hidrógenos disponibles, es un acido débil. Hacemos lo mismo que antes, excepto que usamos la curva punteada con símbolos de cuadrados (segunda condición). Notar que la línea de acido fosfórico está arriba de la línea de acido fuerte. Esto significa que el fosfórico reduce menos la alcalinidad para la misma caída en pH que lo que hace un acido fuerte. Esto es porque los aniones del acido fosfórico son bases más fuertes que los aniones an iones del acido hidroclórico o láctico. En este ejemplo, la alcalinidad remanente es 9ppm como CaCO 3 en la intersección intersección de la curva (Rem. Alc, H3PO4, punteada con cuadrados) y el pH de agua al comienzo es 7,5. Esta vez solo 41ppm de alcalinidad fueron reducidos. Dividiendo el cambio en alcalinidad por su peso equivalente, 41/50 = 0.82 mEq/L. Así, 0,82mEq de acido (por litro) fueron usados para neutralizar la alcalinidad. La figura 47 muestra cuantos mEq de protones son contribuidos por cada mili mol de acido fosfórico para un pH en particular. El valor de mEq a pH 5,5 es 1,02. Asumiendo de que hemos preparado una solución 1 molar de acido fosfórico (1 mmol/ml), vamos a necesitar 0,82/1,02=80mmol de acido fosfórico por cada litro l itro de agua.
Ejemplo 3: determinando la pérdida de calcio debido a las adiciones de acido fosfórico.
Hay una complicación potencial cuando agregamos acido fosfórico al agua antes del macerado. El calcio y el fosfato forman el compuesto hidroxiapatita o
C10(PO4)6(OH)2, el cual precipita para liberar iones de hidrogeno y bajar el pH del macerado. Los fosfatos del acido fosfórico pueden también reaccionar con el calcio en el agua y pueden potencialmente precipitarlo antes que el agua llegue al macerado. La pregunta es, “¿Cuánto calcio es movido del agua cuando de acidifica con acido fosfórico?”. Podemos predecir la precipitación de apatita como una función de la
adición de acido fosfórico porque los mecanismos de precipitación de la apatita son muy difíciles de modelar. De todos modos, podemos calcular los niveles de saturación con calcio que pueden ser tolerados antes que comience la precipitación como una función del pH. Este límite de saturación es manifestado por la lín ea de puntos “Sat. Ca+2; H2PO4; pH (X)”. Volviendo a las condiciones del ejemplo dos, la intersección de la línea de pH 5,5 (cuadrados, puntos) al pH inicial de 7,5 indica una concentración de un poco mas de 400mg/l en la escala de calcio en el lado derecho del grafico. Por debajo de este nivel, la solución no está saturada con respecto al calcio y la precipitación de apatita no ocurre. Esto significa que 16mg/l de contenido co ntenido de calcio en el agua no van v an a ser afectados y podemos usar acido fosfórico para acidificar a pH 5,5 sin pérdidas de calcio. Estos gráficos nos muestran cómo evitar la pérdida de calcio, pero también nos revelan dos tendencias que tal vez no has notado: el límite de saturación para el calcio aumenta cuando se acidifica. Esto es lógico desde el punto en él que las sales de calcio son mas solubles en soluciones más acidas. De todos modos, puede ser contra intuitivo intuitivo para aquellos que estaban preocupados en el pasado sobre acidificar el agua de lavado mucho, y por lo tanto la acidificaban solo a pH de 6,0, solo para “atemperar” la alcalinidad. El límite de saturación de calcio a pH 6,0 es muy bajo, solo de 4ppm para las condiciones que estamos discutiendo. El límite de saturación de calcio disminuye con el aumento del nivel de alcalinidad total. Referirse a las figuras 43 y 45, donde el límite de saturación para el punto final de pH 5,75 es de 100ppm para 50ppm de alcalinidad, mientras que el límite para este mismo punto final de pH es de 40ppm para 150ppm de alcalinidad (asumiendo un pH de 8,0 del agua inicial). Te todos modos, si uno va a acidificar con acido fosfórico, hay que asegurarse de tener en cuenta el compromiso entre alcalinidad, calcio y punto final de pH. Esta situación no ocurre cuando se acidifica con otros ácidos.
Ejemplo 4: adición de calcio para acidificar el agua.
Ahora asumamos que queremos agua para elaborar una pale ale con el mismo agua. La composición del agua sugerida en el capítulo 7 indica que querríamos 50150ppm de calcio en el agua ya que la alcalinidad residual es mejor para lograr el color de la pale para el estilo y lograr el rango correcto de pH, etc. Entonces planeamos agregar suficiente sulfato de calcio al tanque de licor caliente para llevar el nivel de calcio a 100ppm. Esto está bien, ya que el límite de saturación de calcio para esta agua a pH 5,5 es de 400ppm. Sin embargo, necesitamos realizar algo que agregue calcio a esta agua ya acidificada va probablemente a bajar el pH mas en cierta medida, difícil de predecir. Por lo que, es mejor agregar el sulfato de calcio al agua antes de acidificarla con acido fosfórico a pH 5,5. De esta forma sabes que 100ppm de calcio en solución es estable, si tenemos un pH metro y lo estamos usando para medir nuestros resultados, entonces vamos a saber el pH final de agua sin importar el orden de adiciones que usemos. El punto es que si uno hace esto por primera vez y trata de predecir las cantidades de adición y los resultados, debería agregar las sales primero y el acido segundo.
Notas de uso general.
Gráficos para el agua con alcalinidad de 50, 100, 150 y 200ppm como CaCO 3 son presentados en este apéndice. Pero suponiendo que el agua tiene una alcalinidad de 75ppm como CaCO3, ¿igual se pueden usar estos gráficos? Si, los resultados para este y otros niveles de alcalinidad pueden ser determinados por interpolación. Comparar la línea de acidificación de 5,75 para los gráficos de 50ppm y 100ppm. Usando un pH inicial del agua de 7,5 como nuestra base de comparación y acidificando a 5,75 con un acido fuerte, la curva muestra alrededor de 9,5ppm de alcalinidad remanente en el grafico de 50ppm y de 20ppm en el grafico de 100ppm. Como 75 es la mitad entre 50 y 100, se puede pensar que la alcalinidad de 75ppm es reducida a la mitad entre 9,5 9,5 y 20 o alrededor alrededor de 15ppm. La interpolación interpolación también funciona para para los niveles de saturación de calcio, pero resulta más en una estimación debido a las escalas logarítmicas y los supuestos químicos que debemos tomar. Notar que el valor
de 3 en una escala logarítmica es la mitad entre los valores de 1 y 10, y que 30 es alrededor de la mitad entre 10 y 100. Esto es porque en una escala logarítmica, Log 3=0,447, Log 5=0,699, etc. Tener esto en cuenta cuando se mira valores entre marcas de la escala, lo que se parece 2,5 es en realidad 2,3 y lo que parece 2,75 es realmente 2,56. Para una alcalinidad de 50ppm con un punto final de pH de 5,5, el nivel de saturación con calcio es de 430mg/l para pH 7,5 del agua y de 170mg/l para las mismas o condiciones a una alcalinidad de 100ppm. El simple promedio de estos dos números es 200, sugiriendo que el nivel de saturación con calcio para alcalinidad de 75ppm debería estar cerca de ese número. De hecho es 257mg/l, por lo que interpolación lineal para la saturación es como mucho un estimador. Pero estos gráficos son igual par aproximaciones aproximaciones de todos modos, por razone que vamos v amos a discutir a continuación. Las curvas de ácidos fuertes son muy robustas, lo que significa que nos van a dar estimaciones razonables. Sin embargo, cuando se sucede la precipitación de apatita, más generalizaciones hay que hacer y los números son menos robustos. Sin entrar en detalles, la probabilidad de precipitación depende de muchos factores. El factor más importante es la solubilidad del producto que se está formando. Usamos el valor de pKs=117 para hidroxiapatita (tomada e Stumm y Werner). La solubilidad de los productos son muy difíciles, cuando no imposibles, de medir con precisión, por lo que hay cierta incerteza incerteza en todos todos los números de saturación. saturación. Además, si la solución no es es ideal (y no lo es) debemos considerar que la presencia de otros iones cargados puede proteger eléctricamente al calcio y el fosfato uno del otro y reducir la atracción y precipitación. Hemos usados la teoría modificada de Debye-Huckle para producir estos gráficos, pero esta teoría tiene sus propias limitaciones. Tercero, no hemos considerado las limitaciones de solubilidad de otras sales como los fosfatos primarios y secundarios de calcio. Entonces, para poder realizar las curvas de saturación hemos establecido una solución hipotética hipotética de una alcalinidad y pH pH dados en un modelo por computadora computadora y después agregado de forma incremental calcio a la solución, comprobar el producto iónico para ver si era menos que el valor saturado y después repetido estos pasos hasta que el producto iónico de saturación era alcanzado.
Pero no se puede agregar solo el catión calcio, también hay que agregar el ion para mantener el balance eléctrico neutral. Usamos sulfato porque la dureza permanente alta es más comúnmente asociada con sulfato y cloruro. El sulfato tiene un efecto más fuerte en la fuerza iónica que el cloruro y por eso, hemos usado cloruro, los niveles de saturación de calcio son más bajos. De todos modos, el corolario de esta supuesto es que si estamos trabajado o construyendo un agua que tiene tiene una relación de sulfato a cloruro menor de 1, como 1:2, o nada de sulfato, como el agua para las Pilsner lager, entonces sugerimos cortar el valor de saturación de calcio a la mitad para estar del lado seguro.
Resumen.
Estas curvas pueden ser usadas para tener una buena idea de que esperar cuando se acidifica el agua con acido fosfórico u otros ácidos fuertes. Las estimaciones estimaciones para un acido fuerte tienen mayor confianza
que las
estimaciones estimaciones para acido
fosfórico. Las estimaciones desde las curvas deben ser comprobadas midiendo los niveles de calcio disuelto después de la adición de acido fosfórico si hay alguna duda de que la precipitación de calcio puede haber ocurrido. Si la precipitación de calcio es posible, acidificar a un pH más bajo va a reducir esta probabilidad. Sin embargo, tener cuidado de hacer eso, uno puede llevar el pH objetivo de macerado a valores menores de 5, inhibiendo la adecuada conversión y reduciendo el rendimiento. Tus resultados pueden variar.
Gráfico de acidificación: 50ppm como CaCO 3
Figura 43: alcalinidad remanente y saturación de calcio después de la acidificación; 50ppm de alcalinidad total como CaCO 3.
Gráfico de acidificación: 100ppm como CaCO 3
Figura 44: alcalinidad remanente y saturación de calcio después de la acidificación; 100ppm de alcalinidad total como CaCO 3.
Gráfico de acidificación: 150ppm como CaCO 3
Figura 45: alcalinidad remanente y saturación de calcio después de la acidificación; 150ppm de alcalinidad total como CaCO 3.
Gráfico de acidificación: 200ppm como CaCO 3
Figura 46: alcalinidad remanente y saturación de calcio después de la acidificación; 200ppm de alcalinidad total como CaCO 3.
Figura 47: mEq de protonación por mmol de acido fosfórico, como una función del punto final de acidificación. acidificación.
Apéndice C: Cálculos de iones, sales y ácidos.
Concentraciones de sales.
El procedimiento para calcular la contribución de los iones al agregar un peso de una sal en particular al agua es muy fácil si se hace por pasos. El primer paso es dividir el peso de la sal que se agrega (normalmente 1 gramo) por el peso molecular para calcular la fracción de 1 mol de sal que se está agregando al agua. El peso molecular de una sal debe incluir el número de moléculas de agua unidas si la sal esta hidratada, como el cloruro de calcio, el cual típicamente tiene dos moléculas de agua (CaCl2•2H2O). A continuación, se calcula el peso de la fracción del catión y el peso de la fracción del anión que hace al peso molecular de la sal y se multiplican esas fracciones por la fracción molar agregada. Tal vez puede ser más fácil si se muestra con un ejemplo.
Problema.
Si un gramo de cloruro de calcio (CaCl 2) se agrega a 3,78litros de agua, cuánto va a aumentar la adición a la concentración de Ca +2 y la de los iones de Cl -.
Solución.
Primero tenemos que calcular el peso molecular (molar) del cloruro de calcio. La fórmula del cloruro de calcio tiene es su formula molecular dos moléculas de agua, CaCl2•2H2O. Esta fórmula significa que la estructura molecular incluye dos moléculas de agua y el peso molecular del agua debe ser incluido en el peso molecular de la sal. Para calcular el peso molecular de una sustancia, miramos todos los pesos atómicos de los elementos de la tabla periódica de los l os elementos:
Ca = 40.078 Cl = 35.453 H = 1.00794
O = 15.9994 No necesitamos gran precisión de los datos, por lo que podemos redondearlos:
Ca = 40 Cl = 35.5 H=1 O = 16 El peso molecular total del CaCl 2+2(H2O) es: 40 + (2 x 35.5) + 2 x ((2 x 1) +16) = 147 gramos por mol
EL paso siguiente es calcular la fracción molar del calcio y cloruro en el compuesto. La fracción molar del calcio en CaCl 2+2(H2O) es: 40 ÷ 147 = 0.272 La fracción molar del cloruro en CaCl 2+2(H2O) es: (2 x 35.5) ÷ 147 = 0.483 El resto del peso molecular es agua. ag ua. Una vez que conocemos las fracciones molares, podemos determinar el peso con que contribuye cada ion. Entonces, si 1 gramo de cloruro de calcio es disuelto en 3,78 litros de agua, podemos decir que el peso de la fracción de calcio es 1gramo x 0,272 =0,272 gramos o 272 miligramos (mg) de Ca +2. De la misma forma, para el cloruro, 1 gramo x 0,483 = 483 miligramos de Cl -. ¿Pero como pasamos de miligramos a concentración? Acá es donde el sistema métrico hace las cosas fáciles: un litro de agua pesa 1 kilogramo de acuerdo a la definición original de kilogramo de 1799 (a la temperatura de referencia de 4ºC). El peso oficial hoy en día es un poquito diferente, pero es insignificante para nuestro propósito acá. Por lo tanto, 1 gramo disuelto en un litro de agua es lo mismo que decir 1 gramo disuelto en 1000 gramos de agua. yendo para atrás a la fracción de peso del calcio, 1 gramo de cloruro de calcio contiene 272 mg de calcio, el cual es disuelto en un litro de agua, que es lo mismo que decir 272mg/l o 272ppm. Mg/l es lo mismo que decir ppm, porque 1x10 -3g/1x103g =1 x 10-6 o 1 parte por millón.
Por lo que un gramo de cloruro de calcio disuelto en un litro de agua es igual a: 272 ppm of Ca+2 y 483 ppm of Cl-1 Volviendo al problema original (1 gramo de cloruro de calcio en 3,78 litros de agua), solo hay que dividir esa concentración por el volumen extra. 272mg/l, la concentración se vuelve 272mg/3,78 litros o:
272 ÷ 3.78 = 71.8 ppm Ca x litro de agua para los 3,78 3 ,78 litros. 483 ÷ 3.78 = 127.6 ppm Cl x litro de agua para los 3,78 litros. Esta es la forma en cómo c ómo se calculan las contribuciones de las sales.
Intercambio de cloruro de calcio por yeso.
Problema
Suponer que se va a hacer un agua a partir de agua destilada y queremos cambiar la relación sulfato-cloruro sin cambiar la concentración total de calcio en el agua. La receta de agua es 200 gramos de yeso y 100 gramos de cloruro de calcio en 1135 litros de agua. Esto nos da unas concentraciones de iones aproximadas de:
65 ppm Ca 98 ppm SO4 42 ppm ClRelación Sulfato-cloruro = 2.3:1 Sin usar una planilla de cálculo, ¿cómo podemos calcular una nueva relación sulfatocloruro 1:1?
Solución.
Primero, ir a la tabla 17 del capítulo 7 para las contribuciones de las concentraciones concentraciones iónicas en ppm para el sulfato de calcio y cloruro de calcio. A un gramo cada 3,78 litros, el sulfato de calcio da 61,5ppm de Ca y 147,4ppm de SO 42
.
A un gramo cada 2,78 litros, el cloruro de calcio da 72,0ppm de calcio y 127,4ppm de Cl-. La solución para este problema es un caso de dos ecuaciones y dos incógnitas. Las incógnitas son los pesos en gramos del sulfato de calcio (X) y cloruro de calcio (Y) tal que: a) las concentraciones de aniones de ambas sales debe ser igual b) la adición de las concentraciones de estas sales va a tener una concentración total de calcio de 65ppm. De la primera ecuación, sabemos que el peso en gramos del sulfato de calcio (X) multiplicado por la contribución del anión es igual al peso en gramos del cloruro de calcio multiplicado por la contribución de su anión, es decir, la concentración de sulfato es igual a la concentración de cloruro. 147.4X = 127.4Y
Resolviendo para Y, esta ecuación se simplifica a:
Y = 147.4X ÷ 127.4 = 1.16X
Para la segunda ecuación, sabemos que la contribución de calcio de estos mismos pesos debe ser igual a un total de 65ppm de Ca. La contribución de calcio del sulfato de calcio es 61,5ppm y la contribución del cloruro de calcio es 72ppm, por lo que: 61.5X + 72Y = 65
Sustituyendo por Y nos da, 61.5X + 72(1.16X) = 65 61.5X + 83.5X = 145X = 65 X = 0.448 gramos de sulfato de calcio por cada 3,778 litros
Poniendo X nuevamente en la ecuación para Y=1,16X Y=0,520 gramos de cloruro de calcio cada 3,78 litros
Multiplicando estos pesos por los 1135 litros de agua a ser tratado nos da la composición: 65 ppm Ca 66 ppm SO4 66 ppm Cl-
Dilución de un acido fuerte.
Problema.
¿Cómo calcular la cantidad e acido que es igual a X numero de mili equivalentes?
Solución.
Hay realmente dos problemas acá: 1 (la pregunta básica de arriba) y2: ¿cómo hacer una solución de baja concentración que sea más fácil de medir y segura para manipular? La respuesta parcial a la primer pregunta es crear una solución de acido 1 Normal (N). La definición de una solución 1N es que un litro contiene 1 equivalente del soluto (acido), y por lo tanto 1 mililitro contiene 1 mili equivalente. Por lo que si uno necesita, por ejemplo, 1,8mEq por litro para acidificar 1,235 litros de licor caliente, 1,8 x 1135,5 = 2,044 mililitros de solución acida 1N.
El siguiente problema es, ¿Cómo crear una solución 1N a partir de un acido comercial de concentración más alta?
Creando una solución 1N de acido hidroclórico.
Comencemos con el acido hidroclórico, el cual es vendido a una concentración normal de 37%. La primer cosa es entender que es so es un porcentaje de peso, no un porcentaje de volumen. Los ácidos son siempre vendidos como porcentaje en peso. Para resolver estos problemas, debemos saber el peso molecular, la densidad y la concentración concentración de acido (w/w%). Estos valores están en la tabla 27.
Tabla 27: parámetros de ácidos.
Acido
Peso molecular (g/mol)
Densidad (g/l)
Concentración
Equivalentes por mol
(w/w%) Hidroclórico
36,45
1,18
37
1
Sulfúrico
98,08
1,84
98
2
Láctico
90,08
1,209
88
1
Fosfórico
98,0
1,69
85
1*
*los equivalentes por mol para el acido fosforo varían, ver figura 47 en apéndice B.
El primer paso es resolver las concentraciones molares de estas soluciones estándar y después convertir estas concentraciones moles/litro a equivalentes/litro usando el número de equivalentes por mol. Multiplicando la densidad por 1000 nos da el peso en gramos de un litro de solución. Multiplicando ese peso de solución por el peso de la concentración nos da el peso del soluto (gramos de acido) en un litro de solución. Dividiendo el peso del soluto por el peso molar del acido nos da los moles por litro, lo cual es llamado molaridad (M).
Densidad x 1000 x % /peso molar = M (moles por litro) l itro)
Para el acido hidroclórico al 37%, esto se resuelve:
1.18 x 1,000 x 0.37 ÷ 36.45 = 11.978 o 12.0 M
El acido hidroclórico tiene un equivalente por mol, por lo que 12M=12N. En el caso del acido sulfúrico, una solución 12M va a ser una solución 24N debido a que tiene dos equivalentes por mol. Para calcular el volumen en mililitros de una solución 12N para crear una solución 1N, dividir 1 litro (es decir, 1000ml) por el numero de equivalentes en la solución concentrada.
1,000 ml ÷ 12 N = 83.3 ml of 37% de acido hidroclórico es son necesarios para crear una solución 1N. ¿Pero si compramos una solución al 10% en vez de al 37%? Los mismos cálculos se aplican, solo es necesario saber la densidad. Si no está listada en la etiqueta, puede ser estimada por la relación, pero recordar de restar el 1 de la densidad como cuando se hace con la densidad específica (que es la misma cosa), Por ejemplo, 10%/37% = x/0.18 X = 0.0486 y por lo tanto tanto la densidad de de una solución al 10% de acido acido hidroclórico es de alrededor de 1,0486. De acuerdo a las fuentes de internet, el valor actual es cercano a 1,0474, por lo que el valor estimado es cercano. Estos mismo cálculos funcionas para cualquier acido fuerte que está totalmente protonado. Para ácidos débiles como el fosfórico, un cálculo adicional es necesario para determinar el número de equivalentes por mol en función del pH y acá es donde entra la figura 47 del apéndice B.
PRECAUCION.
Siempre: “hagas lo que hagas, agre gar los ácidos al agua”.
No intentar poner el agua dentro de un acido fuerte, va a reaccionar violentamente y salpicar! Las diluciones de los ácidos concentrados deberían ser hechas lentamente y cuidadosamente por personal entrenado. La dilución de ácidos normalmente normalmente libera calor y la solución puede ponerse caliente caliente cuando se derrama. El método preferible es poner el acido concentrado en un agitador lleno de agua puesto en un baño de hielo.
Neutralizando la alcalinidad con un acido fuerte.
Problema.
El agua para elaborar cerveza contiene 150ppm de alcalinidad como CaCO 3. ¿Cuánto acido debemos agregar para reducir esta alcalinidad a 50ppm como CaCO 3?
Solución.
El primer paso es convertir la alcalinidad de ppm como CaCO 3 a mEq/l, dividiendo por el peso equivalente del CaCO 3 (50). El problema es, ¿Cuánto acido es necesario para reducir 3mEq de alcalinidad a 1mEq de alcalinidad? la respuesta es simple, 3-1=2 mEq de acido. Si tenemos una solución 1N de acido preparado como en el problema precio, entonces solo 2 mililitros de solución 1N van a ser necesarios (por litro).
Nota: este es un problema totalmente diferente que los ejemplos presentado en el apéndice B. Ahí la pregunta era, cuanta alcalinidad queda cuando se acidifica de un pH1 a un pH2. Acá el pH al comienzo y al final no es conocido, y solo estamos estimando la cantidad cantidad de acido para neutralizar una cantidad particular particular de alcalinidad. También estamos asumiendo que todo el acido va a reaccionar con la alcalinidad, es decir, que otras reacciones no se llevan a cabo y que otras sustancias no están presentes que pueden reacción con el acido. Esto es un grupo de supuestos diferentes.
Problema. Asumiendo que la reacción es Ca (HCO 3)2 + 2HCl → Ca +2 + 2Cl- + 2CO2 + 2H2O, ¿cuánto acido es necesario para reducir la alcalinidad un 50%, asumiendo que el reporte del agua establece la alcalinidad inicial en 100ppm HCO3-?
Solución.
La ecuación estequiometria es: Ca (HCO3)2 + 2HCl → Ca +2 + 2Cl-1 + 2CO2 + 2H2O
Es balanceada, lo que significa que el mismo número de elementos existe en ambos lados.De todos modos, la ecuación también puede ser escrita como:
Ca+2 + 2(HCO3 -1) + 2HCl → Ca +2 + 2Cl-1 + 2CO2 +2H2O
La cual nos da una mejor vista de un paso esencial: que no toma 2 moles de acido hidroclórico para reducir 1 mol de bicarbonato de calcio, mas bien, toma dos moles de acido hidroclórico reducir dos moles de bicarbonato o esencialmente esencialmente 1 por 1.
Nota: dos moles de acido hidroclórico por un mol de bicarbonato de calcio es técnicamente correcto pero cuando el bicarbonato de calcio es disuelto en el agua como dureza temporaria, el calcio deja la ecuación, dejándonos con la reacción de reducción de ion bicarbonato. Para reducir la concentración de bicarbonato en 50ppm, convertirlo en mEq/l dividiendo el peso equivalente del bicarbonato bicarbonato (61), 50/61 = 0.82 mEq/L m Eq/L Por lo que, 0,82 mili equivalentes de acido son necesarios por litro y el volumen de acido puede ser calculado como se mostro previamente.
Apéndice D: Balance de cargas del agua y distribución de especies de carbonatos. Puede ser difícil entender las diferencias entre los reportes de agua. ¿Qué es lo que hace a uno más confiable que otro o más representativo? En cierta forma, eso depende de nuestros objetivos, ¿queremos ver las concentraciones promedio para varias aéreas alrededor de la región o para diferentes tiempos a lo largo del año o queremos una imagen de una fuente y tiempo específicos? Si queremos basar nuestras decisiones en promedio, entonces la diferencia de 3 mili equivalentes en el balance de la carga eléctrica de cationes-aniones puede no ser un problema. Si queremos replicar un agua específica para una cerveza especifica, hay que verificar que el balance del reporte de agua sea de calidad. ¿A que nos referimos con balance? Estamos hablando de las cargas eléctricas de los iones en el agua. El agua es eléctricamente neutral, lo que significa que normalmente no tiene una carga eléctrica. La suma de las cargas eléctricas negativas de los aniones debe ser igual a la suma de las cargas eléctricas positivas de los cationes. Pero algunos iones tienen diferentes valores de carga: como +2 para los iones de calcio (Ca +2). +1 para los iones de sodio (Na +) o -3 para los iones de fosfato (PO4-3). La diferencia en carga entre los varios iones se encuentra dividiendo el peso molecular de cada compuesto por el número de cargas. Este valor es llamado peso equivalente. Dividiendo las concentraciones (mg/l o ppm) de un ion por su peso equivalente nos da los los mili-equivalentes por litro litro (mEq/l) de la sustancia. sustancia. Sumando los mEq/l totales de los iones positivos y negativos de la solución es como determinados si el agua esta eléctricamente balanceada balanceada o no. Revisemos el ejemplo del capítulo 7. En ese ejemplo, el perfil de los mili equivalentes de cationes y aniones del agua
en la tabla tabla 15 fueron sumados y
comparado para ver si eran iguales. En el primer caso para el agua Dortmund, no lo hacían. Sumando los cationes en mEq/l no daba 11.25 + 3.3 + 2.6 =17.2 Sumando los aniones en mEq/l no daba2.95 + 1.7 + 2.5 =7.1
El balance de iones está muy lejos y por lo tanto las concentraciones de iones dadas son probablemente probablemente no representativas representativas del agua real, aunque aunque pueden estar cerca. El segundo perfil, de la tabla 16, es muy similar pero difiere marcadamente marcadamente en el balance de cargas. La diferencia principal entre los dos perfiles es el nivel de aniones. El
perfil de Dormund de la tabla 15 del capítulo 7, convertido a mili-equivalentes por litro:
Perfil del agua de Dortmund, tabla15. Ca+2
Mg+2
HCO3-
Na+
Cl-
SO4-2
mg/L
225
40
180
60
60
120
mEq/l
11,25
3,3
2,95
2,6
1,7
2,5
Sum (+)
Sum (-)
17,2
7,1
Sum (+)
Sum (-)
14,5
14,4
El siguiente es otro perfil de Dortmund, del capítulo 7, tabla 16.
Perfil del agua de Dortmund, tabla 16. Ca+2
Mg+2
HCO3-
Na+
Cl-
SO4-2
mg/L
230
15
235
40
130
330
mEq/l
11,5
1,2
3,8
1,7
3,7
6,9
Supongamos por el bien de los argumentos que el perfil de la tabla 15 tenía un agua de pH 7. Mirando en la tabla 28, la distribución de carbonatos a pH 7 muestra que el bicarbonato (HCO3-) representa el 80% de la alcalinidad total y carbonato (CO 3-2) hace el otro 20 %. Por lo tanto tanto si hemos hemos recibido este perfil desbalancead desbalanceado o con 180ppm (2,95 mEq/l) de bicarbonato, podemos calcular que la alcalinidad total es actualmente 2,95/80%=3,69 mEq/l. por supuesto, 3,69 mEq no acomoda el desbalance en este caso en particular. Sin embargo, el punto es que el efecto del pH del agua en la distribución de las especies de carbono puede resultar en subestimar los mili-equivalentes totales de aniones si solo la concentración de bicarbonato es dada en vez de la alcalinidad total. Otra posible fuente de discrepancia en el perfil de la tabla 15 puede ser si la dureza de calcio y magnesio magnesio
esta reportada reportada como CaCO 3. Pueden haber sido
transcribidos incorrectamente como simple Ca ppm, en vez de dureza de calcio como CaCO3. Si este fuera el caso, dividiendo por el peso equivalente del carbonato de calcio
en vez de los del calcio y magnesio, nos da 4,5 y 0,8 mEq/l, respectivamente y la suma de mili-equivalentes nos da 7,9 y 7,1, 7 ,1, lo cual mejore el balance.
Perfil de agua de Dortmund tabla 15. Ca+2
Mg+2
HCO3-
Na+
Cl-
SO4-2
mg/L
225
40
180
60
60
120
mEq/l
4,5
0,8
2,95
2,6
1,7
2,5
Sum (+)
Sum (-)
7,9
7,1
*dureza como CaCO 3.
Si especulamos que el pH del agua era 7,4 al momento de la medición, por la tabla 28, la alcalinidad total seria 3,24 mEq/l y la suma de aniones seria 7,4, lo cual es más cercano todavía. Este ejercicio es pura especulación, pero sirven para ilustrar donde pueden estar los errores potenciales de los reportes de agua.
Perfil de agua de Dortmund tabla 15. Ca+2
Mg+2
HCO3-
Na+
Cl-
SO4-2
mg/L
225
40
180
60
60
120
mEq/l
4,5
0,8
2,95
2,6
1,7
2,5
Sum (+)
Sum (-)
7,9
7,4
*dureza como CaCO 3.
Los errores durante las pruebas de laboratorio o de reporte pueden ser una fuente de desbalance en los reportes de agua. De todos modos, un reporte de agua desbalanceado no significa necesariamente que alguno o todos los iones totales reportados son incorrectos. Una fuente de error puede ser que el agua contenga otros iones que nos son testeados o reportados. Concentraciones significativas de iones normalmente minoritarios como hierro, potasio, nitrato, nitrito o silicato pueden fácilmente sesgar el balance si no son incluidos en el protocolo de prueba. Un reporte de agua que incluye estos iones menores es más balanceado. Como mínimo, un reporte de agua debe incluir los iones mayores reportados en las tablas de más arriba. Un reporte de agua que tiene un balance de cationes a iones entre 1 mEq/l es considerado adecuado. Un balance entre el 0,1 mEq/L es considerado aceptable. aceptable. No es
necesario un cambio muy grande en concentración entre iones para crear una diferencia de 0,5 mEq/l, un cambio de 5-10ppm en un par de iones lo hace.
Tabla 28: porcentaje de especies de carbonato como una función del pH (de la figura 13).
pH
% Carbonato
% Bicarbonato
% acido carbónico
4
0
0,42
99,58
4,2
0
0,66
99,34
4,4
0
1,04
98,96
4,6
0
1,63
98,37
4,8
0
2,56
97,44
5,0
0
4,00
96,00
5,2
0
6,20
93,80
5,4
0
9,48
90,52
5,6
0
14,23
85,77
5,8
0
20,83
79,17
6,0
0
29,42
70,58
6,2
0
39,78
60,21
6,4
0
51,15
48,85
6,6
0
62,39
37,60
6,8
0
72,44
27,54
7,0
0
80,63
19,34
7,2
0
86,80
13,14
7,4
0,1
91,20
9,71
7,6
0,16
94,17
5,67
7,8
0,25
96,09
3,65
8,0
0,41
97,26
2,33
8,2
0,65
97,87
1,48
8,4
1,03
98,04
0,94
8,6
1,62
97,79
0,59
8,8
2,55
97,08
0,37
9,0
3,99
95,78
0,23
