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小李的啤酒工艺学9调整酿造水的计算(下)

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先介绍一下当量的概念。


还得举个栗子


正常的部队建制一个团3个营,可是八路军的李云龙的团9个营,还有意大利炮和骑兵连,因此,李云龙团战斗力和人数上完全当得上3个团。这样才有了八路军的2个师就搞出百团大战这么大的动静。 


这个栗子里,李云龙团的战斗力可以以一敌三,战斗力当量3 。如果要以李云龙团作为一个标准来衡量战斗力,那么,一般的团战斗力就是1/3 。


磷酸本来是中强酸,三元酸,但是由于麦醪(ph 中性偏碱)含有大量的磷酸根抑制了磷酸的电离,所以,被看做作一元酸。


当量是个工程学概念,在一个环境下用于当量的概念可以更方便计算不同特性物质用量,比如乳酸是一元酸(分子量87),硫酸是二元酸(分量98),在计算酸碱中和的反应中,出于工程中计算的便利我们把乳酸的当量看成一,当量分子量就是87,硫酸的当量看成二,当两分子量就是98/2=49。


同理,一份子的CaCO3和酸反应的时候需要消耗2分子H+,反应方程如下:CaCO3+2H—Ca2++CO2+H2O。


从这个反应也可以说明一下人们对酸、碱的认识:最早人们觉得吃起来老陈醋一样味道的是酸,后来觉得能电离出H+ 的就是酸,在后来随着科学的进一步发展,把酸定义为提供共用质子是酸。


同样的,碱跟酸相对应,上面反应式中,CaCO3也没有提供OH-离子,但是作为可以接受H+的,我们也看做是碱。再用当量方式看,CaCO3 的碱当量分子量是其分子量的一半,100/2=50。


增加剩余碱度的计算


特麦在烘焙过程中产生、积累的类黑素和氨基酸会使糖化ph 降低,想在糖化得到5.2-5.6ph 值,需要酿造用水提供一定的剩余碱度。从剩余碱度的公式看,单位mg/L。


RA(CaCO3)=总碱度(CaCO3)-(Ca/1.4)-(Mg/1.7)


Ca 和Mg 分别代表水中两种离子的浓度。


CaCO3代表总碱度。


只有增加总碱度才能提高剩余碱度,从糖化的反应系统看,直接添加碱也是一种方法。实际上CaCO3在水里的溶解度极低,因此,虽然公式中以CaCO3 的形式计算总碱度,但是添加碳酸钙对提高碱度是没有效果的。


那用什么来提高碱度(剩余碱度)呢?


利用NaOH或者Ca(OH)2,具体的化学溶解和反应过程不多说了,初高中化学基本上可以应付了。但是我看小李同学好像听的一脸懵逼,虽然也是大学生,但是经过几年文科思维的培养初高中化学知识好像所剩无几了,主要是化学思维完全沦陷了。直接享受人类文明成果文明成果吧。


1g NaOH 溶解到1L 水中增加碱度25 mEq/L ,这里的mEq/L是个当量碱度的单位。1g Ca(OH)2 添加到1L 水里增加的碱度是27 mEq/L,增加的剩余碱度是19.3 mEq/L,如下表:


下面推算一下以上数据,可以更好的帮助小李来理解和唤起被尘封的化学知识和化学思维,但是请注意这个应用数据已经换算成了当量单位。


NaOH 中含有Na+的含量是23/40=57.5%, OH-的含量是17/40=42.5%,即1g NaOH 溶解到一升水中:


Na+:575 mg/L


OH-:425 mg/L 换算成当量浓度425/17=25 mEq/L


Ca(OH)2的核算也是同样的过程,但是计算剩余碱度有点不一样:


RA=50*459/17- 541/1.4=963.6 mg/L (以CaCO3 计)


963.6/50=19.27 mEq/L


mEq/L :毫当量每升。


这个过程看到都是以CaCO3的当量分子量计算的,另外,Ca(OH)2的加入由于引入了Ca2+ 碱度的增量有所打折,同时水中对于Ca2+和Na+ 引入也是应该是综合考虑的。


举两个栗子说明剩余碱的增加:


栗子1:见上面Ca(OH)2和NaOH 对纯水理论的碱度增量核算。


栗子2:


初始水样,mg/L

ph: 9

Ca:40             Mg:9

CaCO3:100    Na:140

CL-:60           SO42-:245


如果想做海外特浓世涛(烈性世涛),该如何调节条件呢?

 

从上表中可以看出,这种剩余碱度应该是120~200这个范围。


目前的水样中,剩余碱度 RA=100-40/1.4-9/1.4=66.1

 

从上表中可以看出,这个水样Ca和Mg的浓度低,剩余碱度低,Na和SO4 的浓度偏高,这样使用Ca(OH)2来调节剩余碱度,


将剩余碱度调节到160


(150-66)/(50*19.27)=0.088g 


使用剩余碱度计算,不用列化学反应方程,方便多了。


这时李大爷走了过来,看我们在研究当量,李大爷笑笑跟我们说:当量的概念在我们采煤那时候,用的可多了,什么瓦斯气体的当量浓度,泥沙的当量通量,炸药的爆炸当量,煤的当量热值……


小李抬头崇拜的看看爷爷,李大爷更兴奋了,又回忆起他们年青那会儿社会主义建设时期的峥嵘、伟大而又快乐的时光……


那些时光是永恒的,未曾衰老,那些时光又是短暂的,过去就不再从来,那些时光又仿佛是那代人独有的幸福,是大李,小李还有我都感受不到。


反渗透水酿制的11P皮尔森和15P淡色 IPA 离子配方的推荐

11P 皮尔森:


如果要调节2吨纯水来酿造11P 皮尔森,你可以直接做不添加任何离子,如果想增加Ca 的含量(可以帮助酵母沉淀)或是降低一点剩余碱度,可以添加一些CaCL2,使Ca 的浓度到25mg/L这样CL 的浓度是25*71/40=44.4mg/L ,比较适中,可以凸显一些面包的香气。


RA=0-25/1.4=-18 符-60~0 的范围。


那么,2 吨水中CaCL2的添加量是2000*25*(40+71) /40=138750mg=138.75g 


由于CaCL2 常常含有结晶水及商品纯度,这样实际的质量,应该是:


添加量*纯度*含量=理论计算量。


15P 淡色IPA,60IBU:


通过查表15P 淡色IPA 的剩余碱度是-30~30。


CL-:0~100 50

Na:0~150  50

Ca:50~150  100

SO4:50~150 240

SO4:CL-0~5 


但是,实际Na 离子在反渗透水及麦芽中都不缺乏。


Ca:40      SO4: 57.6     CL: 28.4


即添加CaCL:44.6mg,  CaSO4:81.6mg

RA:0-40/1.4=-28.6

SO4:CL=2:1


以上是一升水的配方。


实际上应用,添加量*纯度*含量=理论计算量,称取药品。另外,一般我们都是把药品的66。6%添加到糖化锅里,33.3% 添加到洗水中。


其实这个配方时小李三天后用excel 表格算出来,这个表格后来我也一直再用,有了这个表格啤酒好像并不那么神秘,只是看你是不是理解她,尊重她。


Z RA 的计算


之前我们举过得栗子2 中ph=9 ,但是在我们RA 的计算中是没有考虑的,既没有考虑碳酸盐的电离。


初始水样,mg/L


ph: 9

Ca:40             Mg:9

CaCO3(总碱度):100      Na:140

CL-:60           SO42-:245


如果两个水样,上述离子浓度一样,但是ph 一个是9另一个是8.5,那么,这种才别在RA 是没有差别的。但是,通过Ziel RA 的计算可以体现上述的偏差的,Ziel 是德语目标的意思,Z5.4 相对于ph5.4 时的剩余碱度。下面我们看看Z RA 的推算和计算。


我们可以这么看:


总碱度=碱浓度*电离度(ph)


那么,当我们检测到总碱浓度,再通过查下表(不同ph 下碱的电离度或电荷数)查到各个ph 相对ph=4.3 的电荷数,并计算差值,这样就可以求出碱的浓度。


还是举个栗子吧,单位70mg/L


水样 ph=7.5

Ca:70

Mg:15

CaCO3(总碱度):125

Na:30

CL:60

SO42-:85

RA=125-70/1.4-15/1.7=66


换算成当量浓度:66/50=1.32mEq/L


如果我们用Z5.4重新计算,看看偏差的大小。


125/50=2.5mEq/L,先换算成当量浓度。


总碱度=Ct(碱浓度)*∆C0,∆C0:是ph 7.5相对ph4.3 的电荷差,查表可知(目标值-现在ph下的条件值)

ph 4.3=-0.01

ph7.5=-0.93

∆C0=-0.92,那么,Ct=2.5/-0.92=2.72mmol/L


同样查表可知,从ph7.5变化到ph5.4 的电荷变化∆Ct=-0.1-(-0.93)=+0.83mEq/L。


那么Z5.4=2.72*0.83=2.26 mEq/L。


Z RA 的计算


Z RA=Z 碱度-Ca/3.5-Mg/7,单位是当量浓度,mEq/L

Ca=70/20=3.5,

Mg=15/12=1.25


所以,上面的水样Z5.4 RA=2.26-3.5/3.5-1.25/7=1.08

1.08*50=54


大家可以看到,54和66或者1.08 和1.32 差别还有有一些的。


计算方法的选择


至于选择是用库尔巴哈的剩余碱度(RA)方法计算,还是目标ph 的剩余碱度Z RA方法计算呢?我觉得理论中的差别需要到现实中检验,毕竟我们调节水的逻辑是个相对准确的方式,及ph5.2~5.6,对应的剩余碱度也是一个范围。在实践的调整不会一蹴而就,需要多次的实验。但是我个人面对这种黑盒理论的态度是:对于淡色的酒酿造用水要尽量少的添加离子,对于深色的酒酿造用水除了把碱度调整到位,也没必要添加多过的离子进去。


如果李云龙在你的酿造团队中,他会怎么搞?


现实生活中,我们拿不到城市水的检测报告,拿到了也不相信。同时,我们短期内还没条件上反渗透RO 水处理系统,那么我们怎么把自己水试着向好的方向调节呢?请参考以下几条建议:


1. 做淡色酒,如果醪液的ph 大于5.4,试着用乳酸,石膏和氯化钙调节ph,使之达到5.2~5.6这个范围。


2. 如果做深色酒,试着用Ca(OH)2,NaOH或NaHCO3,来调整酸度,使之达到5.2~5.6这个范围。


以上两个过程要伴随品评和详细的记录,加上反复多次的对比。理论代替不了实践,其实,有了分析数据之后实践仍然是最重要的。但是,也必须清楚,如果水样不好,调整、改善的潜力并不大。





通过三次小文,先说了调整的逻辑,后详细说明了计算方法,基本上把调整酿造水的理论概述了一下。希望对看《水》有困难的朋友有个帮助。


是不是很多朋友看到最后都有些无力感?国内的城市水这么不好,又还拿不到检测报告。不像国外的酒厂那么幸福,可以直接使用城市水。同时,也可以看见很多人将水神秘化,搞得玄而又玄。国外在这方面已经有了很成熟计算方法,国内在水这个方面差距相比其他的原料而言是最大的。


想精进,想颠覆,必须依靠底层创新!这些基础知识不管是面包,还是砖头都放在那里。精酿说到底是靠创新,靠几个配方过日子的时间不会太长远了。


下期说一下水化学的几个基础理论概念,之后酒花部分的内容也用得上。


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