Vann

Hovedingrediensen i øl .
Og vann smaker. Prøv flaskevann fra forskjellige produsenter.
Olden, Voss, Farris osv. Det smaker ikke likt. Mineraler setter smak.
For 30 år siden var så heldig å få et kurs i vannrensing hos Statens Teknologiske Institutt. Med kjemiprosess fra videregående, ungdommelig selvtillit og pågangsmot var jeg med å prosjektere, bygge og drifte et vannrenseanlegg for elektrogalvanisk industri.
Det å rense vann. Det fremstår som ganske enkelt, i forhold til det man bør kunne om vann, når man skal brygge øl.
Hvis man brygger godt øl uten vannjustering, kan dette bli bedre med litt justering. Slik som krydder i matlaging.
Jeg er av den typen som gjerne vil forstå hvordan ting henger sammen og virker. Jeg har skrevet dette som et sammendrag for eget bruk, og håper at andre kan ha nytte av det.

All kredit til kildene på slutten av innlegget.

Hardhet i vann.

Årsaken til at det finnes vann over havnivå er at det fordamper og kommer ned som regn. Regnvann opptar oksygen og karbondioksid, CO2, fra atmosfæren og danner karbonsyre.
CO2 + H2O H2CO3
Regnvann vil derfor være svakt surt med pH 5,6.
Det dras også med salter fra havet, og alt etter avstand til sjøen vil saltnivået variere. Konsentrasjonen vil øke etter som vannet fordamper i nedslagsfeltet. Mikroorganismer og planter forbruker oksygen, næringssalter og frigjør CO2 som gjør at pH blir enda litt lavere.
Vannet trekker ned i grunnen i løsmasser, fjellsprekker (eller renner på overflaten i bekker og til elver).
Oppløst oksygen vil oksidere «Grus mineraler»/kismineraler og det senker også pH. Svovel, kobber, mangan og jern er slike mineraler.
Den lave pH’en gjør at vannet reagerer med mineraler slik at ioner løses opp.
I Norge er det områder med sedimentbergarter som oppstod i kambrosilur tidsalderen for 545-417 milloner år siden. Her er det mye oppløst kalk og magnesium i grunnvannet.
Vi sier da at vannet er hardt. Dette merker man ved at såpe skummer dårlig.
Hardhet måler man i °dH som er forkortelse for grad deutscher Härte.

kilde: NGU

Tabell med oversikt over hardhet i kommunalt vann finner man her.

Hardhetsklasse milligram kalsium per liter mg Ca/l Tyske hardhetsgrader °dH
Meget bløtt vann 0 – 15 0 – 2,1
Bløtt vann 15 – 35 2,1 – 4,9
Middels hardt vann 35 – 70 4,9 – 9,8
Hardt vann 70-150 9,8 – 21
Meget hardt vann > 150 > 21

Kalk hos oss er som regel oppløst som kalsiumkarbonat (CaCO3) hos oss og kommer fra berarter som kalsitt, marmor, kritt, kalkstein, travertin og dolomitt (som også inneholder magnesium). Det er 673 mineraler som inneholder kalsum.
Andre steder som Burton on Trent, UK. Wien i Tyskland er det gips (CaSO4) som dominerer.
Kalken drar pH oppover og de fleste vannkilder har svakt alkalisk vann. Enten naturlig fra grunnvann eller etterbehandling.

Det finnes også strips for å måle hardhet.

Vannbehandling

Vannverk er underlagt drikkevannforskrift som stiller krav om innhold, forurensning og grenseverdier.
Vann blir behandlet og «Molde metoden» blir mer og mer utbredt.
Råvann tilsettes CO2 og jernklorid. Deretter filtrering gjennom antrasitt (kull), kvarts sand og marmor. (CaCO3). Til slutt klores det med natriumhypokloritt. (Utvannet til 3-8% selges dette som klorin) og bestråles med UV lys for å desinfiseres.

Marmor filter
Klor anlegg
UV bestråling

Behandlingen øker pH og alkaliniteten ved å tilføre CaCO3. Og kloridinnholdet øker.
Jernklorid felles ut og tar med seg mye sporstoffer og forurensninger.

pH.

Forkortelse for pondus Hydrogenii  som betyr «styrke, hydrogen». Eller hvor mye frie H+ ioner det er.  Rent vann sier vi er nøytralt og har pH 7. Blir det lavere enn dette er det surt, høyere enn 7 er alkalisk. Litt mer her og her.

pH kan beregnes, men en måler koster ikke all verden. pH papir kan også brukes, men er vanskelig å lese av i mørke øltyper. Og tidendedeler er håpløst å se. Det finnes pH meter for under 100,- beregnet til akvarier. Ikke brukbart til vårt formål. Instrumenter må kalibreres og elektroder er forbruk. De jeg har sett hos norske bryggebutikker har vært av tilfredsstillende kvalitet. Kunnskap om pH måling og instrumenter er et spesialfelt som man ikke kan forvente at alle har.
Teknisk ukeblad har en fin artikkel.

Selv har jeg gode erfaringer med Hanna instrumenter. Elektroder må oppbevares i elektrolytt. Tørker de ut vil glass sinteret/gel tettes og målinger blir feil. Oppbevaring i vann vil etter hvert påvirke elektrolytten og forringe elektroden raskere enn nødvendig.
Mer info om elektroder her.
Selv om mine mannlige hormoner stritter imot, bør man lese bruksanvisningen.
pH måling bør skje i plast/glass kar. Det ser ut som metallkar påvirker målingen.
Jeg opplever 0,1-0,5 i forskjell. Jeg tror det er galvanisk spenning mellom sølvet i elektroden og desilitersmålet. Mulig at det har sammenheng med kvaliteten på elektroden.
Noen målere kompenserer for temperatur. Det er varmepåvirkningen i elektroden som kompenseres. Ikke varmens påvirkning på pH i væske.
En liten skvett i et glass kjøles fort ned, så jeg måler på ca 20 grader.
Energinivået i varm mesk gjør at hydrogenprotoner frigjøres lettere. Og den elektriske responsen i elektroder og instrumenter endres. Forskjellen mellom 20 og 65 grader kan utgjøre 0,2-0,3 i pH.

Alkalitet/Alkalinitet.

Det er vannets evne til å forbli nøytralt når man tilsetter syrer.
Det betyr altså ikke det samme som alkalisk. Det bruker vi om løsninger som har høyere pH enn 7.
Kalsium har den evnen at det kan bufre surheten i vann, det vil si stabilisere pH selv om det tilføres eller tas vekk hydrogenjoner fra løsningen. I tilfellet kalsium bufrer det slik at pH blir liggende rundt nøytralitetspunktet. Noen likevektsligninger mellom karbondioksyd, karbonsyre, bikarbonat og karbonat kan vise dette:

CO2+H2O <===> H2CO3
H2CO3 <===> H++HCO3
HCO3 <===> H++CO3
Ca+++2HCO3 <===> CaCO3+H2O+CO2

Blir det tilført flere hydrogenjoner, vil det dannes mer karbonsyre og løst gass av karbondioksyd og blir det fjernet hydrogenjoner vil flere karbonsyre molekyler spaltes i hydrogenjoner og bikarbonat- og karbonatjoner.
Der det er kalkholdig grunn blir pH i innsjøer og elver ikke synlig endret. Er det hardere bergarter som har lite kalsium eller som ikke så lett gir fra seg kalsium, blir gjerne vannet surt. Kalking av sure innsjøer er en måte tilføre manglende kalsium for å øke bufferkapasiteten i vannet.

Det er også andre stoffer som påvirker pH i vann, for eksempel magnesium, som virker stort sett på samme måte som kalsium

Alkalitet, hardhet og kalsium.

De fleste vannanalyser oppgir Alkalitet. Kristiansand kommune:
Kalk til 16-20 mg/L
Hardhet til 2,5-3,0
Alkalitet 0,6-0,8 mmol
For å regne om alkalitet i mmol/l til mg/l CaCO3 gang med 50 (30-40 mg/l)
For å regne om til mg/l HCo3- gang med 61. (37-49)
Kalk i drikkevann er et samlebegrep for kalsiumkarbonat CaCO3 (kjent som kalk, kritt, marmor), kalsiumsulfat CaSO4 (kjent som gips, gypsom i bryggebutikker), kalsiumklorid CaCL2(kjent som veisalt), og magnesium (Epsom salt). Magnesium har ingen krav i drikkevannsforskriften og blir ikke analysert. Det påvirker kalk analysen og inngår der.

Alkalitet mg/l CaCO3 til ppm. HCO3 x 1.22

Mål

Milligram, mg er 1/ 1 000 gram
ppm er «parts pr million», 1/ 1 000 000
Har man 1mg. Altså 1/1000 gram. I 1 liter vann (som er 1000 gram) så har man 1: 1 000 000. Mg/l og ppm det samme.
Mol. Den er litt verre å få inn i huet. Amedeo Avogadro fant ut at 12 gram kull inneholdt 6,0221415 · 1023 atomer.
Så mol er altså massen av et bestemt antall molekyler. Hvor mye dette antallet veier finner man f.eks i den periodiske tabellen over grunnstoffer. Og det kalles atommasse. Vann er et greit eksempel.
Hydrogen har atommasse på 1,00794. Oksygen 15,999. Vann, H2O blir da litt avrundet 1+1+16= 18.  Så 6,0221415 · 1023 vannmolekyler veier 18gram.
For å gjøre det enkelt holder vi isotoper utenfor i denne sammenheng. En grei molvekt kalkulator er her.
mmol, millimol

Vannanalyse rapporter

For meg er det vann fra Kristiansand kommune som gjelder.

For bryggingens del er det følgende jeg er interessert i:
pH 7,9
Klorid Cl 13 mg/l
Sulfat SO4  14,1 mg/l
Natrium Na 4,7 mg/l
Kalk til 16-20 mg/l
Hardhet til 2,5-3,0 mmol
Alkalitet 0,6-0,8

pH under brygging.

Som man ser er optimalt pH område for mesking et stykke unna det vannet vi har i krana. Alkalinitet til vannet forsøker å holde pH oppe, malten drar den nedover.
I malten mener man det er kalsiumfosfatet, og organiske syrer, som bidrar mest.
I mørke malttyper mener man det er Mailard reaksjonen som bidrar til syrenivået.
Og så har man syremalt(acidulated malt)  som inneholder melkesyre.
Etter hva jeg har målt har vannet i Kristiansand så lav alkalinitet at man normalt ikke trenger å senke pH i meskevannet. Malten fikser det.

pH i mesken påvirker flere faktorer som smak, klarhet, farge på vørter og øl. En svakt sur mesk med pH mellom 5,2 og 5,8 gir bedre forhold til enzymene. I den nedre enden får man mer gjærbare sukkertyper, bedre nedbrytning av proteiner slik at ølet får en «tynnere kropp» (munnfølelse). Det gir også lysere øl, bedre utbyte, bedre utfelling under nedkjøling og reduserer kjøletåke.
I den øvre enden får man mindre gjærbare sukkertyper og «tykkere øl», en annen munnfølelse.  Mange mener at dette skyldes ugjærbart sukker. Randy Mosher med boka «Tasting Beer» heller mer til at det er proteiner som skaper dette inntrykket.

Det anbefales å meske med pH mellom 5,3 og 5,5.

En liten økning i pH kan gi store utslag i det ferdige ølet. Bitterheten kan oppleves som mer rå/grov/snerpende og ubehagelig. Isomeringen av alfasyra i humla øker også litt når pH går opp. Dette fører til den ubehagelige bitterheten. Diacetyl reduseres også dårligere under modning av ølet.
Hvis pH kryper opp mot 6 under mesking og skylling frigjøres silikater, tanninger og polyfenoler som gir en harsk eller snerpende munnfølelse eller smak. Slik som å suge på en tepose som har trukket alt for lenge.
Skyller man så mye at OG kommer under 1,010 mister mesken mye av bufferkapasiten. Jeg har målt at OG på 1,008 gjør at pH plutselig stiger til over 6.
Man kan senke pH i skyllevannet med melkesyre eller fosforsyre.
Star San inneholder 50% fosforsyre, men også 15% Dodecyl benzen sulfonsyre. (Samme som brukes i urinal tabletter). Så dette bruker jeg IKKE i skyllevannet.
http://www.braukaiser.com har en fin fremstilling av pH og temperaturområdet som enzymer virker best i.

Weyermann har også en fin forklaring her.

Har man vann som er veldig hardt, eller veldig høy alkalitet. Så kan det være vanskelig å få pH ned med salter som gips (CaSO4). Da kan melkesyre, fosforsyre eller saltsyre være alternativer. Saltsyre høres skummelt ut, men vi har nå en god porsjon innabords i form av magesyre.
Er vannet surt kan man heve på med kritt eller kaustisk soda (NaOH).
Alternativ er å filtrere vannet med «omvendt osmose» også kalt RO water.
Kullfilter fjerner ikke ioner.
Foreslått pH etter ønsket karakter på ølet.Mer utgjærbar vørter, tynnere kropp 5,3-5,4

    • Mer utgjærbar vørter, fyldigere kropp 5,4-5,5
    • Mer skarp/syrlighet i ølet 5,1-5,2
    • Lysere øl 5,3-5,4
    • Mørkere øl 5,4-5,6
    • Humlebårne øltyper 5,3-5,5
    • Maltdrevne øltyper 5,2-5,3

Rest alkalitet (RA)

RA er en bryggespesifikk verdi som beregnes fra vannets hardhet og alkalitet.
Kolbach, en tysk forsker, fant at maltens fosfater reagerer med kalsium- og magnesiumioner fra meskevannet[Fix, 1999]:
<span title=»3Ca2+ + 2HPO42- 2H+ + Ca3(PO4)2 «>3Ca2 + + 2HPO42- <-> 2H + + Ca3 (PO4) 2<span title=»3Ca2+ + 2HPO42- 2H+ + Ca3(PO4)2 «>
Denne reaksjonen frigjør 2 protoner (H +) samt kalsiumfosfat (Ca3 (PO4) 2), som er ganske uoppløselig i vørter og felles ut. Det viktige aspektet er imidlertid frigjøring av 2 protoner som kan reagere med bikarbonat-ioner (HCO3-) som er ansvarlige for vannets alkalitet [Narziss, 2005]:

H2O + CO2 «>H + + HCO3- -> H20 + CO2 H2O + CO2 «>
H2O + CO2 «> H2O + CO2 «>
Resultatet er en senket bufferkapasitet av vannet. Hvis ikke mer bikarbonationer er til stede, synker pH på grunn av økningen av protoner (H +).
Kolbachs arbeid fant at ikke alle vannets kalsium- og magnesiumioner deltar i nevnte reaksjon. Han fant at kun 2 av 7 kalsiumioner og en av 7 magnesiumioner reagerer med maltens fosfater for å frigjøre protoner. Dette resulterte i definisjonen av restalkalitet, som er et mål for alkaliniteten igjen etter surgjøringsreaksjonen mellom maltens fosfater og vannets kalsium og magnesium er tatt i betraktning: Når kalsium, magnesium og bikarbonatkonsentrasjoner kan uttrykkes i en Enhet som tilsvarer ionkonsentrasjonen (i motsetning til vektkonsentrasjonen) av disse ionene (som dH (tysk hardhet) eller mEq / l), er ligningen for gjenværende alkalinitet ganske enkelt:

RA = KH – (CH + 0,5 * MH) / 3,5

Hvor RA er rest alkalinitet i dH, KH alkaliniteten (karbonathardhet), CH Kalsiumhardheten og MH Magnesiumhardheten. Men en vannrapport viser vanligvis ikke disse parameterne som dH, spesielt utenfor Tyskland. For å konvertere denne formelen slik at den kan brukes med ppm som enheten, må den molære vekten av karbonat-, kalsium- og magnesiumioner tas i betraktning.
Dette er matematikk  for kjemikere, og vannjusteringsverktøy gjør en god jobb på dette. Som nevnt analyses ikke magnesium, så her må man gjøre antakelser. 30% magnesium blir brukt i enkelte utregninger.

RA påvirkes av maltens sammensetning.

Etter A.J. Delange’s arbeid.

Vannjustering.

Et mål er selvfølgelig å få pH innenfor hva man ønsker i mesken. Ikke i vannet, men i mesken etter at fosfatene har bundet seg til kalsium, sulfat og karbonat.

Andre mineraler er uønsket og setter smak i svært små mengder. Slik som jern, mangan, sulfider og nitrat. Samt organiske komponenter. Alt fra løv, gress, insekter, døde fisk, sauedritt og rotter. Grenseverdiene i drikkevannsforskriften er så lave at dette skaper ikke problem fra kommunale vannkilder.

Ioner som gir smak

Hvis vi antar at vi har vann som gir riktig pH i mesken er neste steg å tilføre ioner i form av salter for å fremme smaker. Klorid og sulfat påvirker smaken mye.
Kalsium og bikarbonat kan man merke ved at det påvirker malt og humlesmaken.
Når vi tilfører salter så inneholder dette positive og negative ioner. Man påvirker derfor alkalinitet og pH samtidig.

Kalsium. Ca

Et viktig stoff som reagerer med fosfater i malten og sørger for at pH synker. Det gir lite smak. Det beskytter, stabiliserer og fremmer enzym aktivitet i mesken. Det hjelper proteiner å koagulere slik at trub og oksalat (beerstone) som kan skilles ut. Og er nødvendig for stoffskiftet og flokkulering til gjær.
Kalsiumnivået må være høyt nok nivå gjennom mesking, koking og gjæring. 50-200 ppm i meskevannet er anbefalt.

Magnesium. Mg

Man tilsetter normalt Mg som magnesiumsulfat (MgSO4), Epsom salt. Dette bidrar til den totale sulfatmengden i ølet. Mg er ca halvparten så effektivt som kalsium til å senke pH.
Mg er et nødvendig sporstoff for gjær, og 5ppm skal være tilstrekkelig. Vørter med OG 1,050 inneholder ca 100ppm. Det er derfor ikke nødvendig å tilsette magnesium i normal vørter.
Tilsetter man over 40ppm, i tillegg til det som er i malten, kan dette føre til en bitter smak.
Noen anbefaler 30ppm til mørke øltyper som porter.

Sulfat. SO4

Svært sulfatrikt vann finner man i Burton-upon-Trent, UK. Forskrifter sier at dette skal være maks 250ppm. Brønner i området kan ha 850ppm.
Det var her de opprinnelige engelske IPA ble til.
Sulfat kan gjøre humlesmaken mer fremtredene i moderate mengder (200-400ppm). Mer enn dette gir et mineral aktig og uønsket bitterhet.
Mange mener at Tjekkisk pils og lyse lagertyper som Helles, ikke skal ha sulfat. Det dreper myke humlesmak av «nobel hops»
Kalsiumsulfat, gips er den vanligste å tilsette sulfat på.
«Gypsum» på engelsk. Det skinner liksom igjennom hvordan det står til med kjemikunnskapen når man bruker dette på norsk.

Klorid. Cl

Dette bidrar til en rundere og søtere maltkarakter.
Det kan tilsettes som kalsiumklorid. Mer enn 300ppm kan ha negativ effekt på klarning av ølet. Videre oppover er det negativt for gjæringen og smaken.
Anbefalt mengde er under 200ppm.

Natrium. Na

«Det vanskelige barnet» av ionene. Det er nesten umulig å endre alkaliteten i vannet uten at natrium følger med. Natriumbikarbonat (natron), natriumhydroksyd (lut) er effektivt for alkaliteten.
Natrium er biprodukt ved ionebytter filtere, og følger med regnvannet til vannkilder.
Det binder seg lett til klorid og gir saltsmak ved lave konsentrasjoner. Nesten like merkbart som en lydløs flatulens i en overfylt heis. Smygaren du lirker ut og tror ingen skal merke.
Under 150ppm kan det gi bedre munnfølelse og fylde til ølet. Anbefalt grense er under 100ppm i mesken.

Natron. NaHCO3. «Baking soda» på engelsk. Bakepulver er natron og sitronsyre i blanding. Altså ikke det samme som det engelske betegnelsen på natriumbikarbonat.

Sulfat klorid forhold

Dette påvirker smaksforholdet mellom malt-humle i ølet. Eller tørrhet-fylde. Forholdet mellom ionene er viktigere enn mengden.
5:1 sies å være riktig. 5 ppm sulfat og 1 ppm klorid. Og så må man ha riktige mengder av hver for å oppnå den humle/maltkarakter man ønsker.
Dette emnet er ganske omfattende og det er litt mer info her.

Hvordan justere vannet?

Se på verktøyene/regnearkene under. Finn vannanalysen fra vannkilden din. Legg inn verdiene. Velg øltype.
Og så begynner du å legge inn saltene som du mener du skal ha.
Så sjekker du at man er innenfor grenseverdiene.

(Her er mange linjer skult for å vise alt i ett bilde)

Verktøy

Beersmith programmet har jeg skrevet om her.

http://howtobrew.com/assets/img/assets/Palmers-Water-Adj-Liters-4pt0.xls

http://braukaiser.com/documents/Kaiser_water_calculator.xls

http://www.ezwatercalculator.com/

https://sites.google.com/site/brunwater/home/files

http://www.bryggekalkulator.no/Calculator/Water

http://beersmith.com/blog/2016/08/10/using-the-new-brewing-water-and-mash-ph-tools-in-beersmith-2-3/

https://byo.com/stories/issue/item/3372-understanding-ph-advanced-brewing

Kilder

https://forum.norbrygg.no/

http://www.grunnvanninorge.no/vannkvalitet_generelt.php

https://www.miljolare.no/tema/vannressurser/artikler/fysikk_kjemi/kalsbuffer.php

http://beersmith.com/blog/2015/05/07/mash-ph-and-why-it-matters-for-all-grain-beer-brewing/

http://braukaiser.com/wiki/index.php/An_Overview_of_pH

https://byo.com/malt/item/1494-the-principles-of-ph

http://www.waterboards.ca.gov/drinking_water/certlic/drinkingwater/documents/drinkingwaterlabs/AlkalinityConversions.pdf

Metallioner i hvetemalt

Boka «Water»

 

Så har det dukket opp spørsmål om dette produktet. Jeg har ingen erfaring med det:
5,2 pH Stabilizer
er blanding av fosfat bufre (for næringsmidler) som vil sikre mesken og vannet på pH 5,2 uansett hvilken pH vannet hadde fra starten av. Den er 100% trygg å bruke i mesken og VIL IKKE tilsette smak til ølet. Dette produktet vil gi deg en jevn pH uansett hvilket vann du bruker, men mest effektivt hvis du brygger med hardt vann.(skriver produsenten)

Og andre har diskutert dette:

The following conversation posted on Homebrew Talk between noted brewing water expert, AJ DeLange and the chemist from Five Star Chemical regarding their 5.2 Stabilizer product. «Tipped a few last night with the chemist who designed this product and was able to confirm that it is indeed a mix of phosphates (mono and di basic) that accounts for the presence of the malt phosphate. This is something I have long suspected and am pleased to have finally confirmed. Good manners prevented me from pressing him on it’s efficacy and suitability relative to the statement on the label. But his comments on it were basically that most brewers shouldn’t use it/need it and that it was put together for a particular brewery that had variable source water and no desire to make any effort to track that variability.»