Neutralisation von Carbonatalkalinität mit Milchsäure

Bei mei­nem letz­ten Sud ha­be ich erst­ma­lig mein Nachgusswasser mit Milchsäure an­ge­säu­ert. Vor dem Einsatz in der Praxis hat mi­ch zu­nächst ein­mal die Theorie in­ter­es­siert: Wie kann ich die Menge an Milchsäure vor­aus­be­rech­nen die not­wen­dig ist, um das Nachgusswasser auf ei­nen Ziel-pH-Wert von pH 5,4 ein­zu­stel­len?

Berechnung der Carbonatalkalinität des Brauwassers

Dazu be­nö­tigst Du die Wasseranalyse Deines lo­ka­len Wasserversorgers – die fin­dest Du wahr­schein­li­ch im Netz. Dort ent­nimmst Du den Wert „Säurekapazität pH 4,3“. Bei mei­nem Wasserversorger (Gelsenwasser, Wasserwerk Essen-Horst) sieht das so aus [1]:

BezeichnungEinheitJahres-Mittel 2014Min-Wert 2014Max-Wert 2014Quartals-Mittel 3/2015
Säurekapazität pH 4,3mmol/l2.071.642.362.18

Mein ak­tu­el­ler Wert liegt al­so bei 2,18 mmol(eq)/l.

Für die Säurekapazität pH 4,3 fin­dest Du in der Literatur auch vie­le an­de­re Namen – Alkalinität, Säurebindungsvermögen, Carbonathärte und Temporäre Härte sind al­le­samt Synonyme. Die Säurekapazität ist da­bei ein Maß für die „Pufferkapazität“ des Wassers – je hö­her der Wert, um­so grö­ßer die Pufferwirkung. Ein Beispiel für ei­ne „un­ge­puf­fer­te“ Flüssigkeit ist de­stil­lier­tes Wasser. Gibst Du ei­ne Säure hin­zu, so wird der pH-Wert un­mit­tel­bar ent­spre­chend der Konzentration der zu­ge­ge­be­nen Säure sin­ken. Enthält das Wasser da­ge­gen ge­lös­te Carbonate, so wird der pH-Wert bei Zugabe ei­ner Säure viel we­ni­ger stark re­du­ziert, weil die Carbonatsalze freie Wasserstoffprotonen der Säure bin­den.

In der Natur ist die­ser „Carbonatpuffer“ ein sehr wich­ti­ges Regelsystem, um die Schwankung des pH-Wertes in Gewässern, aber auch im mensch­li­chen Blutkreislauf zu be­gren­zen. Für den Maischeprozess ist der Puffer aber schäd­li­ch, denn er hemmt die in der Maische aus­drück­li­ch ge­wünsch­te Absenkung des pH-Wertes, op­ti­ma­ler Weise in ei­nen Bereich von pH 5,2-5,6 [2a]. Und wenn die Treber beim Läutern durch das Nachgusswasser aus­ge­wa­schen wer­den ist es wich­tig, dass ein Ansteigen den pH-Wertes ver­mie­den wird. Ansonsten kön­nen un­er­wünsch­te Gerbstoffe (Tannine) ex­tra­hiert wer­den, die ei­ne un­an­ge­neh­me Bitterkeit er­zeu­gen.

Für mein Wasser be­nö­ti­ge ich al­so ei­ne Konzentration von 2,18 mmol(eq)/l Säure, um den pH-Wert auf 4,3 ab­zu­sen­ken. Aber ich möch­te ja nicht run­ter bis auf pH 4,3 – mein Zielwert ist pH 5,4. Also wer­de ich we­ni­ger Säure be­nö­ti­gen, und die Frage ist nun: wie viel we­ni­ger?

Aus den Gleichgewichtsreaktionen der Kohlensäure kann ein ent­spre­chen­der Korrekturfaktor für die Säurekapazität pH 4,3 be­rech­net wer­den. Dieser ist in der fol­gen­den Abbildung für Ziel pH-Werte von 5,2 bis 5,8 so­wie an­fäng­li­che pH-Werte des Wassers von 6,5 – 9,5 auf­ge­tra­gen, das ist der zu­läs­si­ge Bereich nach der deut­schen Trinkwasserverordnung.

Tabelle1

Zur Bestimmung des Faktors legst Du ei­ne Senkrechte durch den an­fäng­li­chen pH-Wert des Wassers, der auf der ho­ri­zon­ta­len Achse auf­ge­tra­gen ist. Beim Schnittpunt die­ser Senkrechten mit der Kurve des ge­wünsch­ten Ziel pH-Wertes liest Du den Faktor auf der Funktionsachse ab.

Für mein Wasser ha­be ich ei­nen an­fäng­li­chen pH-Wert von 7,8 ge­mes­sen, und ich möch­te ei­nen Zielwert von pH 5,4 ein­stel­len. Der Faktor ist dann 91%.

Formel1

 

Formel2

Berechnung der Acidität und der Säuremenge

Das Gleichgewicht wird sich dann bei dem Zielwert pH 5,4 sta­bi­li­sie­ren, wenn ge­nau die­se Menge an Alkalinität durch ent­spre­chen­de Zugabe ei­ner Säure neu­tra­li­siert wird.

Zur Neutralisation der Alkalinität des Nachgusswassers kann­st Du prin­zi­pi­ell je­de Säure in Lebensmittelqualität ver­wen­den. Milchsäure ist bei Hobbybrauern be­son­ders be­liebt, denn milch­säur­e­pro­du­zie­ren­de Bakterien kom­men oh­ne­hin auf der Oberfläche ei­nes Malzkorns vor, zu­dem wird Milchsäure von der Hefe als Nebenprodukt der Gärung pro­du­ziert. Allerdings ver­bie­tet das Reinheitsgebot die Neutralisation des Brauwassers und auch das Ansäuern der Maische mit Milchsäure oder je­der an­de­ren Säure. Aber als Hobbybrauer bin ich ja nicht an das Reinheitsgebot ge­bun­den, und weil Milchsäure eben kei­ne „bier­frem­de Zutat“ ist ver­wen­de ich sie oh­ne schlech­tes Gewissen.

Für Milchsäure mit 80% Gewichtsanteil – das ist die üb­li­che Verkaufsform – ist die Acidität über dem Ziel pH-Wert in fol­gen­der Abbildung auf­ge­tra­gen.

Aciditaet

Ablesewert aus Abbildung 2: Die Acidität bei pH 5,4 be­trägt 10,53 mmol/l.

Die Menge an Milchsäure kann­st Du nun wie folgt be­rech­nen:

Formel3

Formel4

Geschmackliche Beeinflussung

Ein mög­li­cher Nachteil der Zugabe von Milchsäure ist ei­ne po­ten­zi­el­le ge­schmack­li­che Beeinträchtigung des Bieres.

Der Schwellenwert für die Wahrnehmung ei­nes milch­sau­ren Geschmacks wird in der Literatur mit et­wa 400 mg/l [2c] an­ge­ge­ben, wo­bei zu be­rück­sich­ti­gen ist, dass als Nebenprodukt der Gärung zwi­schen 50 mg/l und 300 mg/l Milchsäure ent­ste­hen kön­nen [2c].

Die Massenkonzentration der zu­ge­ge­be­nen 80%-igen Milchsäure im Brauwasser kann­st Du wie folgt be­rech­nen:

Formel5

Berechnung mit Werten aus vor­he­ri­gen Beispielen:

Formel6

 Anwendung in der Praxis

Da nur ei­ne sehr klei­ne Menge an Milchsäure zu­ge­ge­ben wird do­sier­st Du am bes­ten mit­tels ei­ner Messpipette und ei­nem Peleusball als Pipettierhilfe.

Die Berechnung soll­test Du als Anhaltspunkt ver­ste­hen, um die not­wen­di­ge Menge an Milchsäure vor­ab nä­he­rungs­wei­se zu be­stim­men. Du soll­test im­mer den pH-Wert des Wassers und ins­be­son­de­re den ge­wünsch­ten Ziel pH-Wert nach­mes­sen und ggf. durch Zugabe von Wasser oder wei­te­rer Milchsäure kor­ri­gie­ren. Mögliche Fehlerquellen sind:

  • Die Säurekapazität pH 4,3 aus der Trinkwasseranalyse ist ein Mittelwert, von dem der ak­tu­el­le Wert ab­wei­chen kann.
  • Die für Abbildung 1 be­rech­ne­ten Gleichgewichte stel­len sich nicht spon­tan ein.
  • Mein pH-Messgerät ist ein „Billigmodell“ der 20 EUR-Klasse, das ich al­ler­dings vor je­der Verwendung mit ent­spre­chen­den Eichflüssigkeiten ka­li­brie­re.

Letztlich kann­st Du mit die­sem Verfahren na­tür­li­ch auch das Wasser für den Hauptguss auf ei­nen ge­wünsch­ten pH-Wert ein­stel­len. Hierbei mus­st Du aber be­rück­sich­ti­gen, dass der pH Wert der Maische nied­ri­ger sein wird als der pH Wert des Wassers, aus­ge­löst durch che­mi­sche Reaktionen von mal­zei­ge­nen Phosphaten mit Calcium-Ionen und bei dunk­len Malzen zu­sätz­li­ch durch sau­re Reaktionsprodukte aus Maillardreaktionen.


Quellen:
[1] Wasserwerk Essen-Horst: Trinkwasseranalyse, November 2015
[2] John Palmer and Colin Kaminski, Water, bre­wers pu­bli­ca­ti­ons, 2013, S. 60 [a], S. 63 [b], S. 117 [c]
[3] Otto Fischar GmbH: Sicherheitsdatenblatt Milchsäure 80% (2015)

Schreibe einen Kommentar