Wasser

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Einfluss des Wassers auf das Kaffeegetränk

Der Geschmack des fertigen Kaffees wird durch das verwendete Wasser beeinflusst. Die wesentlichen Faktoren sind:

  • Lösungsverhalten: Welche Stoffe und wieviel werden aus dem Kaffee gelöst
  • Puffer: Die Alkalinität des Wassers dämpft die Wahrnehmung von Säure
  • Eigenschmack: Das Wasser sollte neutral schmecken und keine eigenen Aromen in das Getränk einbringen

Lösungsverhalten

Wasser ist bipolar, also sucht die negative Seite des Wassermoleküls (O-) die positive Seite der Nachbarmoleküle (H+). Die Wassermoleküle richten sich aneinander aus, die sogenannte Wasserstoffbrückenbindung.

Gibt man nun ein polares Molekül ins Wasser, z.B. NaCl (Kochsalz), so gruppieren sich die Wassermoleküle mit ihrer negativen Seite um die positive Seite des Fremdmoleküls und umgekehrt mit der positiven Seite und die negative Seite des Fremdmoleküls. Dies kann dazu führen, dass die Bindung des NaCl aufgebrochen wird.

Unterstützt von der positiven Seite der umgebenden Wassermoleküle kann das Cl ein weiteres Elektron des Na beim Aufbrechen der Bindung mitreißen. Es wird zum Anion Cl-, im Gegenzug bleibt Natrium als Kation Na+ zurück.

Härte und Alkalinität

Kaltes Wasser hat eine gute Löslichkeit für CO2 aus der Luft. Wenn solches Wasser durch Gestein fließt, kann Calciumcarbonat (CaCO3) gelöst werden.

CaCO3 + H2O + CO2 <--> Ca++ + 2 HCO3−

Dadurch entsteht jeweils ein Calcium-Ion (Ca++) und zwei Hydrogencarbonat Ionen (HCO3-). Die Ca++ Ionen gehen in die Härte ein, die Hydrogencarbonationen bilden die Alkalinität.

Neben Calcium ist Magnesium der andere wichtige Härtebildner im Wasser. Calcium und Magnesium kommen aber nicht ausschließlich über Calciumcarbonat (CaCO3) und Magnesiumcarbonat (MgCO3) ins Wasser, weshalb meist mehr Härte als Alkalinität im Trinkwasser vorkommt.

Die Alkalinität bestimmt das Säurebindungsvermögen, also wieviel Säure zugegeben werden kann, bis sich der pH-Wert des Wassers ändert.

Gesamthärte GH und Carbonathärte KH

Die Summe aller Härtebildner, im wesentlichen Ca++ und Mg++ Ionen, wird als Gesamthärte (GH) bezeichnet.

Oben wurde beschrieben, wie Calcium- und Hydrogencarbonationen ins Wasser gelangen. Wenn sich die Löslichkeit dieser Ionen im Wasser verringert, z.B. bei höherer Temperatur, können sie wieder als Calciumcarbonat (CaCO3) ausfallen. Weil dazu beide Reaktionspartner benötigt werden, können sie immer nur gemeinsam ausfallen.

Ca++ + 2 HCO3 - <--> CaCO3 + CO2 + H2O

Gleiches gilt für Magnesium-Ionen und Magnesiumcarbonat.

Carbonat kann also nur ausfallen, solange noch beide Partner zur Verfügung stehen. Daher wird der geringere Wert von Gesamthärte (GH) und Alkalinität als Carbonathärte (KH) bezeichnet.

In Europa kann man davon ausgehen, dass Trinkwasser immer mehr Härte (GH) als Alkalinität enthält und dass daher die Carbonathärte KH = Alkalinität ist. In diesem Fall wird GH-KH auch als permanente Härte bezeichnet.

Auswirkung von Härte und Alkalinität auf den Kaffeegeschmack

Beim Kaffeegeschmack sind die Säuren eine wesentliche Komponente. Enthält das Brühwasser zuviel Alkalinität, werden diese Säuren "weggepuffert", der Kaffee erscheint langweilig und flach. Dies ist unerwünscht, besonders wenn man helle Kaffees verwendet, deren Geschmack wesentlich von den Säuren bestimmt wird.

Der Effekt der Härte, also der Ca++ und Mg++ Ionen ist weniger klar. Nach Experimenten am Gaschromatograph (Colonna-Dashwood and Hendon, 2015) [1] gibt es die Hypothese, dass diese Ionen die Diffusionsrate bestimmter Chemikalien erhöhen und damit wieviel von welchem Stoff in den Kaffee gelangt. Dies müsste aber noch bewiesen werden.

Wasseraufbereitung

Wasser hat nicht nur Einfluss auf den Geschmack des Kaffees, Espressomaschinen oder allgemein Dampferzeuger dürfen nicht mit Wasser betrieben werden, bei dem durch Erhitzen Kalk ausfallen kann. Dadurch würden Kessel und Heizelemente verkrusten und feine Düsen verstopfen.

Deshalb ist bei Espressomaschinen, Dampf- und Heißwassererzeugern in vielen Fällen eine Wasseraufbereitung notwendig.

Die Eigenschaften des Wasser werden in verschiedenen, nicht immer einfach zugänglichen Einheiten angegeben.


Einheiten für Härte und Alkalinität

In Mineralwässern wird der Analysenauszug in mg/l angegeben. Für die chemische Betrachtung wird aber die Anzahl der Reaktionspartner und ihr Verhältnis benötigt. Deshalb verwendet man zur Betrachtung von Härte und Alkalinität Einheiten, die das Molgewicht der Stoffe berücksichtigen.

[mmol/l]

Um mg/l in mmol/l umzurechnen benötigt man das Molgewicht. Für Calcium ist dies 40. Somit entsprechen 40mg/l Ca++ einer Konzentration von 1mmol/l.

Grad deutscher Härte [°dH]

1 °dH ist als 10mg CaO in 1 l Wasser definiert. [2]

  • Molgewicht Ca: 40,078
  • Molgewicht O: 15,999

Somit addiert sich das Molgewicht von CaO zu 56,077.

  • 10 mg CaO entsprechen somit 0,178 mmol/l oder 1 °dH.

Im Abschnitt "Härte und Alkalinität" wurde für das Ausfallen von Calciumcarbonat (Kalk, CaCO3) gezeigt, dass 1* Ca++ + 2 * HCO3- benötigt werden. Kommen Ca++ und HCO3- Ionen im passenden Verhältnis vor, möchte man sie auch mit dem gleichen Härtegrad bezeichnen. Daher gilt für Alkalinität:

  • 2*0,178 mmol/l Alkalinität entsprechen 1 °dH (Carbonathärte)

[ppm as CaCO3]

In der amerikanischen Literatur wird für Härte und Alkalinität die Einheit [ppm as CaCO3] verwendet.

Sie errechnet sich aus 100*mmol/l für Härte bzw. 50*mmol/l für Alkalinität.

Der Gedanke dahinter ist folgender: ppm (Parts per Million) entspricht dem deutschen mg/kg oder häufiger mg/l. CaCO3 hat die Molgewicht 100. Man rechnet die Konzentration in mmol/l aus und verwendet aber die Molgewicht von CaCO3 (100) um damit eine normierte Konzentration in ppm zu erhalten.

Im älteren Publikationen der SCAA (heute SCA) [3] wird statt [ppm as CaCO3] auch mg/L verwendet. Gemeint ist aber das mg/l Aquivalent für CaCO3 und damit exakt wieder [ppm as CaCO3].

Beispiel oben 10mg CaO = 0,178 mmol/l

  • 0,178 mmol/l CaO bei einer Molgewicht von 100 entspricht 17,8 [ppm as CaCO3].

Umrechnung der Einheiten

Umrechnung der Einheiten für Härte und Alkalinität
1 mmol/l Härte
2 mmol/l Alkalinität
°dH ppm as CaCO3
1 mmol/l Härte
2 mmol/l Alkalinität
- 5,6 100
1 °dH 0,178 Härte
0,356 Alkalinität
- 17,8
1 ppm as CaCO3 0,01 Härte
0,02 Alkalinität
0,056 -


Enthärtung

Das am häufigsten verwendete Verfahren der Wasseraufbereitung ist Enthärtung. Hier werden die Härtebildner Ca++ und Mg++ durch (die doppelte Menge) an Na+ Ionen ersetzt. Die Alkalinität bleibt dabei unverändert.

Dieses Verfahren wird auch für Hausenthärtungsanlagen verwendet. Damit die Anlagen funktionsfähig bleiben, müssen sie regelmäßig regeneriert werden, z.B. mit Salz. Unter anderem um Salz zu sparen, wird meist mit Verschnitt gearbeitet. Dem enthärteten Wasser wird wieder unbehandeltes Wasser beigemischt, dass man auf eine Härte von z.B. 5°dH kommt.

In enthärtetem Wasser mit Verschnitt fällt die Resthärte in Dampferzeugern praktisch vollständig aus. Deshalb sollte solches Wasser nicht für Dampferzeugung, z.B. in Espressomaschinen, verwendet werden. In der Gastronomie werden deshalb Enthärteanlagen ohne Verschnitt für Espressomaschinen verwendet.

Für die Kaffeebereitung ist enthärtetes Wasser nicht gut geeignet. Da durch die vollständig erhaltene Alkalinität die Säuren im Kaffee weggepuffert werden, ist dies nur für den Ausschank von dunklen Kaffees ohne Säure ein tragfähiger Kompromiss. Bei Filterkaffee verlängern sich die Durchlaufzeiten erheblich [4], was unerwünscht ist.

Von den großen Herstellern verwenden diese Systeme Enthärtung:

  • BWT Bestprotect
  • Brita Purity (ohne Angabe Quell oder Steam), auch Brita Purity Finest

Entcarbonisierung

Bei der Wasserstoffentcarbonisierung wird dem Wasser Härte und Alkalinität in gleichem Verhältnis entzogen. Da hierbei auch CO2 entsteht, wird das Wasser sauer.

Da Härte und Alkalinität gleichermaßen entzogen wird, ist dieses Verfahren sehr gut zur Aufbereitung für Kaffeewasser geeignet.

Bei diesem Verfahren können pH-Werte von 5 erreicht werden. Nach der Trinkwasserverordnung dürfen bei so saurem Wasser keine Kupferleitungen verwendet werden, da dabei Kupferionen ins Trinkwasser gelangen können. Die meisten Espressomaschinen enthalten Bauteile aus Kupfer. Wenn Bedenken bestehen, kann man Wasser aus der Espressomaschine ins Labor zur Abklärung des Kupfergehalts einschicken. Insbesondere sollte man keine Babynahrung mit Heißwasser aus der Espressomaschine bereiten. Auf der anderen Seite sinkt die Löslichkeit von CO2 in Wasser mit der Temperatur, der pH-Wert normalisiert sich wieder beim Erhitzen. Im Dampfkessel entweicht CO2 durchs Vakuumventil oder mit dem nächsten Dampfstoß.

Entcarbonisierung wird in der Gastronomie häufig eingesetzt.

Die Systeme der großen Hersteller heißen

  • Brita Purity Quell oder Steam
  • Brita Tischfilter
  • BWT Bestmax (Premium)

Umkehrosmose (RO)

Bei der Umkehrosmose wird dem Wasser durch eine feine Membran der gesamte Gehalt an Ionen entzogen. Bei diesem Verfahren entsteht eine deutlich größere Menge Abwasser als aufbereitetes Wasser erzeugt wird.

Dieses Verfahren erzeugt relativ geringe Mengen. Für fest angeschlossene Geräte muss man deshalb mit Pumpe und Vorratstank oder entsprechend großen und leistungsfähigen Anlagen arbeiten.

Die für Kaffee gewünschte Zusammensetzung wird durch anschließende Aufmineralisierung und Verschnitt erreicht.

In der Gastronomie werden wegen des Aufwands und der Baugröße solche Systeme vor allem in Caffes der Specialty Coffee Szene verwendet. Hier werden besondere und teure Kaffees sorgfältig zubereitet und deshalb besonders hohe Anforderungen an das Wasser gestellt um den einzigartigen Geschmack der Getränke hervorzuheben.

Messen von Härte und Alkalinität

Mit einem sogenannten Tropfentest können Härte (GH) und Alkalinität (im Test meist als KH bezeichnet) bestimmt werden. Wie gesagt enthält Rohwasser in Europa mehr Gesamthärte GH als Alkalinität, so dass Carbonathärte KH und Alkalinität übereinstimmen.

Eine Besonderheit sind Proben hinter einer Enthärtungsanlage. Da hier der Großteil der Härte entfernt wurde, die Alkalinität aber unverändert ist, spiegelt sich dies auch im Tropfentest wider: GH ist sehr klein, die vermeintliche KH unverändert groß. Was natürlich nicht sein kein. Man muss hier berücksichtigen, dass de facto die Alkalinität und nicht die Carboanthärte gemessen wird.


Wasser für Espressomaschinen und Dampferzeuger

Wie soll eine passende Enthärtung für eine Espressomaschine gewählt werden?

In Fachkreisen (SCA, Barista Hustle, Scott Rao, Jonathan Gagné) herrscht Einigkeit, dass Wasser zur Kaffeezubereitung aus Geschmacksgründen eine Alkalinität von 40 ppm as CaCO3 haben sollte[5][6], das entspricht einer Carbonathärte KH von 2,24° dH. Lediglich bei sehr dunklen Kaffees ohne Säure spielt die Alkalinität beim Geschmack keine wesentliche Rolle.

Laut Jim Schulmanns "Insanely Long Water FAQ" [7] ergibt sich der Zustand, ab dem Carbonat ausfallen kann, aus dem Langelier Index LI. Als Ergebnis wird dort eine Tabelle vorgestellt, aus der man abhängig von Alkalinität und Temperatur ablesen kann, welche maximale Härte das Wasser enthalten kann, ohne dass Carbonat ausfällt.

Um mit den im deutschen Sprachraum gängigen Einheiten arbeiten zu können, wurde die Tabelle in [°dH] umgerechnet. Die grün hervorgehobene Spalte entspricht der Empfehlung der SCA für Alkalinität.

Maximale nicht ausfallende Gesamthärte GH in [°dH]
°C bar Alkalinität bzw. Carbonathärte [°dH]
Gehalt HCO3- [mg/l]
1,85
40,26
2,07
45,14
2,24
48,8
2,41
52,46
2,63
57,34
2,8
61
2,97
64,66
3,19
69,54
3,36
73,2
3,53
76,86
3,75
81,74
3,92
85,4
90 -- 19,15 14 11,31 9,3 7,28 6,16 5,21 4,31 3,75 3,30 2,86 2,58
95 -- 15,68 11,48 9,3 7,62 5,94 5,04 4,31 3,53 3,08 2,74 2,35 2,13
115 0.67 7,28 5,32 4,31 3,53 2,74 2,35 2,07 1,74 1,51 1,34 1,18 1,06
120 1.00 6,05 4,42 3,53 2,91 2,3 2,02 1,74 1,46 1,29 1,18 1,01 0,9
125 1.33 4,98 3,64 2,97 2,41 1,96 1,68 1,46 1,23 1,12 1,01 0,84 0,78
130 1.67 4,2 3,08 2,46 2,07 1,68 1,46 1,23 1,06 0,95 0,84 0,73 0,67

Für Espressomaschinen und Dampferzeuger sollte die Wasseraufbereitung so gewählt werden, dass die in der Tabelle genannten Maximalwerte für Gesamthärte GH nicht überschritten werden. Je nach Zusammensetzung des Trinkwassers ist das in der Praxis nicht immer erreichbar.

Gängige Kompromisse sind:

  • Mit Entkalkung ohne Verschnitt zu arbeiten und wegen der unverändert hohen Alkalinität Abstriche beim Kaffeegeschmack hinnehmen.
  • Eine leichte Verkalkung zu tolerieren, bei der zumindest der Abschreibungszeitraum (5 Jahre) der Espressomaschine sicher erreicht werden kann.
  • In eine relativ teure und große Wasseraufbereitung mit Umkehrosmose investieren.

Beispiel Privatbereich

Im Privatbereich hat man wesentlich weniger Durchsatz als in der Gastronomie. Eine leichte Verkalkung kann daher viel einfacher toleriert werden.

Hier ein Beispiel einer Maschine, die nach 6,5 Jahren und ca. 10.000 Bezügen revidiert wurde und immer mit Wasser oberhalb der Kalkausfallgrenze betrieben wurde. Im Detail:

  • 1,5 Jahre Verschnitt Lidl Saskia Kirkel mit Karlsruher Leitungswasser 3:1 ergibt GH=4,9°dH, KH=4,4°dH
  • 0,5 Jahre Verschnitt Lidl Saskia Jessen mit Karlsruher Leitungswasser 3:1 ergibt GH=9,7°dH, KH=10,4°dH
  • 2,0 Jahre Purania Quelle Veseli nad Luznici, GH=3,2°dH, KH=2,0°dH
  • 2,0 Jahre Volvic, GH=3,5°dH, KH=3,4°dH

Man sieht an den Bildern, dass im Privatbereich leichter Kalkausfall toleriert werden kann.

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Einzelnachweise