Na twardość wody składa się twardość przemijająca (węglanową), spowodowana obecnością w wodzie wodorowęglanów, oraz twardość stała (niewęglanowa), którą wywołują po zagotowaniu wody siarczany, chlorki, azotany oraz krzemiany wapnia i magnezu. Twardość wody określana jest w piwowarstwie w stopniach niemieckich (°n lub dGH). Twardość nie wpływa wprawdzie na jakość wody, o ile nie jest wyższa niż 30°n, jednakże oddziałuje na procesy enzymatyczne i zjawiska koloidalne.
Drugim istotnym parametrem wody w piwowarstwie jest tzw. alkaliczność resztkowa, czyli różnica właściwości alkalizujących anionów i właściwości zakwaszających kationów podawana w stopniach niemieckich. Im wyższa alkaliczność resztkowa tym wyższe pH zacieru i brzeczki. Z kolei im wyższa jest wartość pH zacieru tym dłużej trwa proces filtrowania zacieru, a warzenie brzeczki o pH większym niż 5,2 powoduje silne wyekstrahowanie związków garbnikowych chmielu, skutkujące większą i trwalszą goryczką w piwie. Na wartość pH brzeczki istotny wpływ mają związki chemiczne zawarte w wodzie.
Alkaliczność resztkowa to różnica własności alkalizujących anionu wodorowęglanowego (HCO3-) i właściwości zakwaszających kationów przede wszystkim wapnia i magnezu zgodnie ze wzorem:
Rz = Zog – (TCa + 0,5 TMg)/3,5
Gdzie:
Rz - alkaliczność resztkowa w °n,
Zog - zasadowość ogólna w °n,
TCa - twardość wapniowa w °n,
TMg - twardość magnezowa w °n,
3,5 oraz 0,5 – współczynniki uwzględniające mniejsze właściwości zakwaszające kationów wapnia i magnezu w stosunku do własności alkalizujących anionu wodorowęglanowego
Ponadto na przebieg procesu produkcji i jakość wody wpływa zawartość niektórych jonów, a w szczególności tych, które w wysokich stężeniach wpływają ujemnie na proces produkcyjny lub na jakość gotowego produktu: Fe2+ lub Fe3+, NO3G, SiO32-, SO42-, Mn2+, jak również tlenu i chloru.
Obecnie stosowane systemy uzdatniania wody pozwalają otrzymać wodę o dokładnie pożądanych cechach, dzięki temu istnieje możliwość dokładnej kontroli składu tego ważnego surowca.
Wymagania odnośnie parametrów kluczowych wody określa producent piwa.
Alkaliczność resztkową można obniżyć przez:
- obniżenie twardości węglanowej wody (dekarbonizacja),
- podwyższenie twardości niewęglanowej,
- neutralizację (dodatek kwasów powodujących przejście twardości węglanowej w niewęglanową).
W praktyce najczęściej wykorzystywana jest dekarbonizacja na złożach jonowymiennych. Jest to proces pozwalający na uzyskanie wody o wymaganych parametrach z uwagi na duże możliwości regulacji parametrów końcowych wody, wody przez jej mieszanie, odgazowanie etc. Dodatkowo zaletą procesu jest uzyskanie dużych wydajności hydraulicznych, przy niskiej stosunkowo niskiej kubaturze pomieszczeń i urządzeń uzdatniających.
Proces dekarbonizacji realizowany jest na złożach jonowymiennych typu kationit słabo kwaśny regenerowany kwasem. Do regeneracji stosuje się kwas solny lub siarkowy. Najczęściej stosowane są żywice o matrycy akrylowej, makroporowate. Grupa funkcyjna kwas węglowy, dostarczane w formie wodorowej.
Reakcje zapisuje się w sposób uproszczony, zaznaczając kationit ogólnym symbolem Kt z dołączonym jonem wymiennym: dla wymieniaczy wodorowych KtH, a dla wymieniaczy sodowych KtNa. Reakcje dla dekarbonizacji na wymiennikach jonowych są następujące:
2KtH + Ca(HCO3)2 → Kt2Ca + 2H2O +2CO2
2KtH + Mg(HCO3)2 → Kt2Mg + 2H2O + 2CO2
Wymiennik wodorowy regeneruje się najczęściej za pomocą kwasu solnego HCl zgodnie z reakcją:
Kt2Ca/Mg +HCl → KtH +Ca/MgCl2
Ponieważ w procesie wymiany jonowej wydziela się duża ilość dwutlenku węgla (niestabilny kwas węglowy) woda po dekarbonizacji charakteryzuje się niskim pH. W zależności od wymagań producenta, końcową wartość pH reguluje się poprzez mieszanie z wodą surową (jeśli wymagane jest niskie pH) lub poprzez odgazowanie na desorberze. W przypadku odgazowywania woda również najczęściej mieszana jest w wodą surową, ale ma to już na celu wyłącznie regulację twardości i alkaliczności resztkowej. Proporcje w jakiej wody są mieszane zależą już tylko i wyłącznie od indywidulanych właściwości wody surowej i wymagań producenta piwa. Mieszanie odbywa się proporcjonalnie przy stałej kontroli wybranego parametry najczęściej jest to pH i twardość.
Klasyczny układ dekarbonizacji złożony jest z dwóch ciśnieniowych pracujących wahadłowo wymienników ciśnieniowych wypełnionych żywicą jonowmymienną. W zależności od wymagań i wydajności układu stosuje się butle kompozytowe lub stalowe z ochroną antykorozyjną na odporną na działanie kwasu. Sterowanie za pomocą głowic sterujących (bardzo małe układy) lub układu zaworów sterowanych z PLC. Kwas do regeneracji najczęściej zasysany jest inżektorowo. W przypadku stosowania kwasu siarkowego przy doborze inżektora pamiętać należy, że w reakcji jego mieszania z wody wyzwala się duża ilość ciepła. Musza być stosowane specjalne inżektory lub dozowanie za pomocą pompy.
Kwas do regeneracji dostarczany jest w paletopojemnikach (dla małych układów) lub na miejscu budowane są zbiorniki kwasu ładowane z cysterny.
Woda po dekarbonizacji w zależności od wymagań, co do pH trafia do pośrednich zbiorników magazynowych, gdzie jest mieszana, a następnie tłoczona do zakładowych zbiorników wyrównawczo magazynowych lub trafia na desorber CO2. Desorber CO2 wykorzystywany jest w przypadku jeśli pH produktu ma być wyższe.
Desorber jest urządzeniem bezciśnieniowym. Składa się ze zbiornika wyrównawczego i kolumny desorbera. Kolumna wypełniona jest kształtkami (najczęściej pierścienie Białeckiego), woda wpływa na nią od góry, od dołu zaś w przeciwprądzie podawane jest powietrze z dmuchawy. Dzięki takiemu rozwiązaniu powierzchnia kontaktu wody i powietrza jest bardzo duża i dwutlenek węgla zostaje z wody wydmuchiwany.
Ostatnim ważnym elementem każdej ze stacji dekarbonizacji jest neutralizator popłuczyn. Z uwagi na regenerację kwasem pH ścieków z regeneracji jest niskie. Popłuczyny nie mogą być bezpośrednio zrzucane w kanał. Konieczna jest ich neutralizacja. W mniejszych układach stosuje się neutralizatory wypełnione złożami dolomitowymi, dla większych układów neutralizacja odbywa się poprzez dozowania ługu sodowego.
Profesjonalne układy dekarbonizacji sterowane z PLC są praktycznie bezobsługowe. Wymagana jest jedynie kontrola przez pracownika obsługi technicznej 1-2 razy na zmianę. W zasadzie obsługa sprowadza się do okresowych zamówień i uzupełniania kwasu w zbiorniku magazynowym oraz zamawiania ługu sodowego. Cysterna dowożąca kwas wyposażona jest w odpowiednią końcówkę do napełniania i obowiązki obsługi ograniczają się tu również do nadzoru. W przypadku ługu raczej nie stosuje się stałych zbiorników (choć jest taka możliwość) i wykorzystywany jest ług z paletopojmeników handlowych. Jest to związane ze stosunkowo niewielkim zużyciem ługu, przy prawidłowej eksploatacji i dobraniu odpowiedniego nadmiaru kwasu do regeneracji. Tu już osoba odpowiednio przeszkolona musi obsługiwać proces wymiany zbiornika. Jeśli zakład decyduje się jednak na zbiornik stały, obsługa wygląda jak przy napełnianiu kwasem.
