Nonostante le sue umili origini quale tecnica di purificazione dell'acqua in tempi premoderni, la birra è diventata una bevanda popolare consumata per piacere da milioni di persone. La fermentazione della birra richiede notevoli quantità di acqua che deve soddisfare requisiti rigidi per quanto concerne alcalinità, durezza e parametri del pH per garantire l'uniformità di sapore e aspetto per ogni lotto. L'alcalinità dipende da carbonati e idrossidi nell'acqua che fanno aumentare e fungono da tampone per il pH. La durezza, bilanciata in larga misura dall'alcalinità, deriva dagli ioni calcio (Ca) e magnesio (Mg), presenti principalmente come carbonati di idrogeno.
A seconda degli intervalli di concentrazione, il 2035 Process Analyzer o il 2060 Process Analyzer di Metrohm Process Analytics sono ideali per l'analisi completamente automatica di questi importanti parametri di qualità nell'acqua di processo e di reintegro, nonché di parametri aggiuntivi come pH o conducibilità. Gli analizzatori possono segnalare al sistema di controllo della distribuzione (DCS) del birrificio di correggere la chimica dell'acqua, garantendo una qualità costante del prodotto.
La birra è una bevanda alcolica consumata nella maggior parte dei paesi del mondo, a base di cereali maltati fermentati, con un'ampia gradazione alcolica compresa tra 0 e 12%. Le sue origini non sono chiare, ma è stato legato a civiltà antiche, con ricette incise migliaia di anni fa su tavolette di pietra. Prima che venissero applicate le pratiche igieniche odierne, le bevande alcoliche furono sviluppate come tecnica di purificazione dell'acqua, poiché l'acqua potabile proveniente da fonti naturali rischiava di ammalarsi a causa dell'inquinamento e delle malattie.
Il processo di produzione della birra è intensivo e può essere classificato nelle seguenti fasi: maltazione, macinazione/macinatura, ammostamento, filtraggio (separazione e risciacquo dei chicchi dalla parte liquida denominata «mosto»), bollitura del mosto, fermentazione, condizionamento, filtraggio , e infine il riempimento di bottiglie o barili. Ogni passaggio deve essere adeguatamente controllato nel processo per garantire l'uniformità del prodotto finale, importante per facilitare la fedeltà al marchio. La produzione della birra comporta un'enorme impronta idrica, richiedendo fino a 300 litri di acqua per creare 1 litro di birra, sebbene il 94-98% di quell'acqua sia destinato a scopi agricoli prima ancora che inizi il processo di produzione della birra. Sempre più birrifici stanno adottando misure per diventare più sostenibili per quanto riguarda il loro utilizzo dell'acqua, il che significa ottimizzazione dei processi e pratiche più efficienti. A tal fine, devono essere determinati parametri di qualità chiave dell'acqua utilizzata nella produzione della birra, come alcalinità, durezza e valore del pH.
L'alcalinità nell'acqua è dovuta alla presenza di composti come carbonati, bicarbonati e idrossidi che aumentano il pH dell'acqua e la tamponano contro ulteriori variazioni del pH. I costituenti della durezza nell'acqua sono generalmente ioni calcio e magnesio (Ca2+ e Mg2+). Sono presenti principalmente come idrogenocarbonati e solfati o, in rari casi, come cloruri. La durezza è bilanciata in larga misura dall'alcalinità.
La temperatura e la composizione dell'acqua utilizzata nelle fasi iniziali del processo di fermentazione è particolarmente importante per un'estrazione ottimale degli amidi dai chicchi macinati. Le variazioni di temperatura durante l'ammostamento possono influire negativamente sulla fermentabilità degli zuccheri a causa di un ristretto intervallo di temperatura di lavoro (55–72 °C) per i processi di conversione enzimatica dell'amido. Il pH dell'acqua non è importante solo per l'ammostamento, ma anche nel processo di filtraggio, dove è necessaria un po' d'acqua di trucco per lo sparging (risciacquare lo zucchero dai chicchi esauriti). Se il pH del mosto o dell'acqua di sparge supera 5,7, la birra risultante avrà una sensazione in bocca astringente a causa dell'eccessiva estrazione del tannino dalle bucce del grano. Dopo la filtrazione avviene il processo di ebollizione in cui il luppolo viene aggiunto al mosto (il liquido zuccherino precursore della birra), e ancora, se il pH è superiore a 5,7, possono essere introdotti tannini in eccesso. Le Pale Ales sono particolarmente influenzate da eventuali variazioni di pH. Le Pale Ales non contengono malti torrefatto che acidificano naturalmente il mosto, quindi il processo deve essere monitorato più da vicino per il corretto pH, durezza e alcalinità.
Per estrarre i composti appropriati, mantenere il pH entro le specifiche e preparare gli stessi aromi in più lotti, sia l'alcalinità che la durezza del processo e dell'acqua di reintegro devono essere monitorate e mantenute a livelli adeguati. Gli analizzatori di processo Metrohm Process Analytics 2060 e 2035 (Figure 2 e 3) sono ideali per l'esecuzione completamente automatica di queste importanti analisi, nonché di parametri aggiuntivi come pH o conducibilità. L'analizzatore di processo può inviare un allarme al sistema di controllo dell'impianto se i livelli di alcalinità o durezza non sono ottimali, segnalando al controllo di distribuzione di correggere la chimica dell'acqua, garantendo una qualità costante del prodotto.
Si tratta di metodi titrimetrici per l'analisi online di alcalinità e durezza nell'acqua di processo e di reintegro per birrifici.
L'alcalinità viene determinata in una titolazione acido/base con acido cloridrico (HCl) e una soluzione standard utilizzando un elettrodo pH combinato in vetro. I risultati vengono calcolati in base al primo punto di flesso. L'alcalinità è espressa in mg/L di carbonato di calcio (CaCO3). Quando si misura l'alcalinità sia libera che totale, i valori sono ottenuti dal primo e dal secondo punto di flesso.
Per la determinazione della durezza, Ca2+ e Mg2+ formare complessi stabili con EDTA a pH 10. In questa applicazione, il Ca2+ e Mg2+ può essere determinato mediante titolazione potenziometrica utilizzando un elettrodo ionoselettivo (Cu-ISE). I risultati sono espressi in mg/L Ca2+. Sono disponibili anche altri metodi per determinare il totale e il Mg2+ durezza.
Inoltre, i sensori di pH in linea possono essere collegati al 2060 Process Analyzer per garantire un sistema completamente integrato, che porta a un migliore controllo del processo.
| Parametri | Intervallo [mg/L] |
|---|---|
| Alcalinità (CaCO3) | 0–110 |
| Durezza (come ca2+)* | 8–200 |
*Le concentrazioni di durezza al di sotto dell'intervallo indicato devono essere misurate mediante determinazione fotometrica.
L'alcalinità, il valore del pH e la durezza svolgono ruoli cruciali durante il processo di produzione della birra. Valori fuori specifica compromettono l'estrazione degli amidi e possono influire negativamente sul gusto della birra. È quindi necessario un attento monitoraggio dell'acqua di processo e di reintegro, reso possibile dall'implementazione di un analizzatore di processo 2060 o 2035 di Metrohm Process Analytics nel birrificio per una chimica dell'acqua ottimale 24 ore su 24.
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