酿造用水的处理
| 水质缺陷 | 处理方法 |
| 悬浮杂质多，透明度低 | 机械过滤；加絮凝剂过滤 |
| 碳酸盐硬度和碱度稍高 | 煮沸法；加石膏法；加酸法 |
| 碳酸盐硬度和碱度过高 | 石灰水法；离子交换法、反渗透和电渗析法 |
| 有机物或余氯高 | 多级处理 |
| 细菌总数超标 | 过滤；紫外线杀菌；加氯；加热 |
| 仅铁离子、锰离子超标 | 活性炭过滤；石灰处理；通风曝气法 |
加酸法
用酸改善水质是一种简单有效的方法，在生产实践中经常使用。加酸虽然不能改变水的总硬度，但却可以将碳酸盐硬度转变为非碳酸盐硬度，改变两者的比值达到降低水的残余碱度的目的。方法有：①外加酸；②添加酸麦芽（3%~6%）；③使用经过熏硫的麦芽。
- 基本原理：碳酸氢钙 + 氢离子 → 钙离子 + 水 + 二氧化碳
- 加酸地点：酸添加在糖化锅和煮沸锅。糖化中加酸对降低麦汁ph的作用比较大，而对降低成品啤酒ph的作用极小，其原因是加酸提高了麦汁的缓冲能力，限制了发酵过程中啤酒ph的下降。而在在煮沸锅中加酸可以显著降低麦汁的ph，其作用比在糖化锅中加酸提高了一倍，而麦汁自身的缓冲能力不变。也就是说，要达到相同的麦汁ph，煮沸锅的加酸量可以减少一半。因此在煮沸锅中加酸已经成为一种降低麦汁ph的重要手段，以使麦汁的ph有较大幅度的降低，从而通过煮沸除去易形成浑浊的球蛋白，以提高啤酒的稳定性。另外，加酸还可以明显改善啤酒的风味，使啤酒风味圆润、丰满
- 加酸的种类：食品级或化学纯级的乳酸、盐酸、磷酸和硫酸。（食品法中好像不允许使用化学级的药剂，所以推荐使用乳酸）
- 加酸的效果：淀粉酶和蛋白酶作用快、糖化快、色泽浅、口味柔和、蛋白质沉淀好、麦汁澄清好。
| 酸的种类 | 在糖化时加酸 | 在煮沸时加酸 |
| 100%乳酸 | 58g | 29g |
| 80%乳酸 | 72g（60ml） | 36g（60ml） |
| 37%盐酸 | 63g（53ml） | 32g（27ml） |
| 98%硫酸 | 32g（17ml） | 16g（9ml） |
加石膏或氯化钙法
加石膏可以消除碳酸盐硬度带来的碱度（提高非碳酸盐硬度，从而提高非碳酸盐与碳酸盐的比值，降低残余碱度），消除磷酸氢钾的碱性，起到调整水中钙离子的浓度等作用。合理使用对啤酒质量无影响，而且成本远低于加酸法，在啤酒生产中应用极为广泛。添加石膏后，在热的条件下，形成酸性磷酸盐和不溶性的磷酸钙，从而抵消一定的碳酸氢盐的降酸作用。
同时麦汁中存在石膏可促进蛋白质凝固，使麦汁澄清。另外，添加石膏和氯化钙后也可使部分碳酸盐硬度转化为非碳酸盐硬度，对提高酸度和降低残余碱度也有一定作用。
- MgCO3 + CaSO4 → MgSO4 + CaCO3↓
- MgCO3 + CaCl2 → MgCl2 + CaCO3↓
当形成MgSO4的量较多时，啤酒会呈苦味，而MgCl2却对口味无影响，因此在实际生产中往往考虑使用氯化钙，能使啤酒口味柔和、醇厚，避免使用石膏生成MgSO4，对口味带来不利影响。
按照经验，根据水质不同，石膏和氯化钙的添加量为50~20g/t水。此外还可根据以下关系进行添加量计算，即非碳酸盐硬度每增加0.18mmol/L（即1dH），需添加石膏（无水）24g/L或氯化钙（无水）20g/L。
添加石膏后，损失磷酸盐（麦汁的缓冲物质和酵母的营养物质），麦汁和啤酒的缓冲能力有所下降；用石膏和氯化钙处理后的水口味有所不同，生产的啤酒口味也有所差异，因此应该注意根据水质特性和产品特点合理地选择或配合使用；含硫酸钙多的水，应该少加，碳酸盐硬度高的水应软化，再加50~80g/t；水质特软或除盐彻底的水可加纯度高的石膏。
煮沸法
通过对水进行煮沸可使一部分可溶性碳酸氢盐分解为不溶性的碳酸盐和二氧化碳。
- Ca(HCO3)2 → CaCO3↓ + H2O + CO2↑
- Mg(HCO3)2 → MgCO3↓ + H2O + CO2↑
在水的煮沸过程中钙和镁的碳酸氢盐变化是不同的。碳酸钙几乎全部被分离出来，在水中以溶解状态残留的仅为0.8°d，大约相当于14mg/L，所分离出的碳酸钙在水中是难容的。碳酸镁的分离是困难和不彻底的，并且在冷却时会使已经分离出来的碳酸镁再次溶解于水中。所以需要通过热水过滤的方法将其分离出去。碳酸氢钠和碳酸钠通过煮沸则无法使之减少。煮沸法降低碳酸盐硬度的结果对不同的酿造用水是不同的。
延长煮沸时间通常会使碳酸盐的析出得以改善。由碳酸氢钙转化为碳酸钙和二氧化碳的反应是可逆的，如果不及时把产生的二氧化碳从水中排除的话，这种反应也会向相反的方向进行，从而阻止碳酸氢盐的降低。这种降低碳酸盐硬度的效果，不仅依赖于促使其反应所需的温度（＞75℃），而且还依赖于通过强烈搅拌或压缩空气的鼓入而排除二氧化碳的程度。在煮沸的过程中应该达到液体强烈运动的效果。
水的组成对降低碳酸盐硬度的效果具有决定性的影响。碳酸钙的分离较为容易，而碳酸镁的分离则应该考虑到水中硫酸钙或氯化钙的含量。反应式为：MgCO3 + CaSO4 → MgSO4 + CaCO3↓
碳酸镁转化为碳酸钙而得以去除，但同时产生的硫酸镁（苦盐）如果在水中含量较大则会产生明显不利的影响，而氯化镁则影响较小。这种反应在反应物浓度较高的时候有利其进行。在实际操作中，将糖化锅内的水在煮沸锅中以猛烈政法并搅拌的方式进行20~30分钟的煮沸，然后将这热水泵入热水槽静置以使碳酸钙沉淀。为了改善这种脱硬的效果可以加入石膏或氯化钙。
饱和石灰水法
饱和石灰水法可以有效地除去水中的碳酸盐硬度、铁离子、锰离子以及某些有机物，但是只能去除60%左右的镁硬度，而且不能改变非碳酸盐硬度。另外饱和石灰水法还可以用作离子交换水的预处理，以降低离子交换的负荷，提高交换效率，降低水处理成本。但饱和石灰水受水质波动的影响较大，实际应用中不易掌握。
- 处理原理
- 饱和石灰水处理方法通常是在冷或微温的水中进行，其原理基于下列反应：
- CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3↓ + H2O
- Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2CaCO3↓ + 2H2O
- Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 → MgCO3 + CaCO3↓ + 2H2O
- MgCO3 + Ca(OH)2 → CaCO3↓ + Mg(OH)2↓
- 以石灰水的形式而加入的石灰首先与游离的二氧化碳反应，然后与半结合的二氧化碳反应。反应后使碳酸氢钙以碳酸钙的形式分离出去，而碳酸氢镁与之反应后则生成碳酸钙和碳酸镁，碳酸钙为沉淀，碳酸镁仍呈溶解状态。当原水中镁硬度与非碳酸盐硬度之差不高于3°d时，这种方法是可以使用的。除去碳酸氢镁的效果不好的原因在于：形成的碳酸镁是可溶的。对于反应生成的碳酸镁，通过加入非碳酸盐可以除去对生产不利的碳酸根离子，即进一步降低水中的碳酸盐硬度。但反应前后镁硬度不变，同时会有更不利的硫酸镁（苦盐）等生成。
- MgCO3 + CaSO4 → CaCO3↓ + MgSO4
- MgCO3 + CaCl2 → CaCO3↓ + MgCl2
- 如果经过（1）~（3）的反应后，水中所加入的饱和石灰水还有过量并能够达到ph为10.5~11的条件时，此时碳酸镁将能够继续与饱和石灰水反应而转化成氢氧化镁沉淀，即反应时（4）。全部反应生成的沉淀通过一个砾石过滤器儿的一出去。这种处理方法符合啤酒纯酿法所规定的条件，全部的反应均在冷水中进行，但注意水温不要低于12℃。在含碳酸氢钙较多的水中会出现所期望的较大的絮状沉淀。这些沉淀将以胶体的形式分离析出，最后相互吸附聚集而浓缩为泥状混浊物。通过相对较高的温度、强烈的叫板或泵倒可以加快这种絮凝作用。在除去碳酸氢钙以及少量的镁硬度的同时，水中的铁盐也会以沉淀的形式而析出。
- 用饱和石灰水处理水时可能会用到下面的一些数据：1°d=10mg CaO/L；1°d=29mg Ca(HCO3)2/L；1°d=19.8mg CaCl2/L；1°d=24.3mg CaSO4/L。
- 石灰水处理过程
- 根据上述反应原理用饱和石灰水可以有两种水处理方案，即饱和石灰水一步处理法和饱和石灰水两步处理法。
- 饱和石灰水将计算所需的饱和石灰水全部一次性地和待处理的原水混合发生化学反应式（1）（2）（3）所列的反应，生成的水中含有碳酸镁，碳酸钙沉淀北国旅除去，石灰一次性被完全消耗。
- 饱和石灰水两步法是把计算出的石灰水量与待处理的原水分两次混合，即在60%的原水中掺入计算出的所需的总石灰水量，通过这样第一次混合，反应过程中可以人为造成ph达到11以上，此时这60%原水中的镁离子会以氢氧化镁沉淀的形式分离出来，同时这部分水中的碳酸氢钙也会转变为碳酸钙沉淀。生成的沉淀经过滤除去后再和剩下的40%的待处理原水混合进行第二次反应，第一次反应中过量的石灰水在第二次混合反应中被完全中和并消耗，生成碳酸钙沉淀和碳酸镁，使第一步反应偏高的ph由11下降到8.3左右。通过这两步处理，理论上可以将原水中的镁硬度降低60%，而实际中只能降低30%~40%。同样通过加入氯化钙可以改善沉淀情况，但不用硫酸钙，因为会产生硫酸镁（苦盐）。
- 饱和石灰水用量的计算
- 每百升原水预降低1°d的碳酸盐硬度需要约0.8L的饱和石灰水，同时还要考虑到腐蚀性的碳酸所消耗的量。下列为具体公式。
- 处理每百升原水所需的饱和石灰水体积（L） = [欲降低的碳酸盐硬度 + 欲降低的美盐硬度 + CO2(mg/L) x 0.127] / 每升饱和石灰水所对应的氧化钙的克数
离子交换法
- 离子交换法是啤酒厂普遍采用的水处理方法，处理成本较低，适用范围广，对不同水质均有较好的处理效果。例如可以用于镁离子含量较高的水的脱硬、硬水的脱盐以及用于去除水中不利的阴离子，如硝酸根和氯离子等。
- 离子交换法的原理
- 离子交换法是用一种离子交换剂和水中溶解的某些阴、阳离子发生交换反应，借以除去水中有害的离子。离子交换过程是可逆的，吸附水中阴阳离子的交换剂，在使用一段时间后可通过相应的酸、碱洗涤再生，使其重新恢复交换能力。
- 离子交换树脂的种类
- 离子交换树脂是一种人造树脂类的固体物质，球形颗粒状，其中装有由电解液中吸取的正或负离子物质。在离子交换过程中，这些离子将被具有相同电荷的其他等价离子所置换。即离子交换树脂从电解质溶液中摄取正离子或负离子并且把等质量的其他带有相同电荷的离子交换给电解质溶液。离子交换树脂分为阳离子交换树脂和阴离子交换树脂两大类。其中阳离子交换树脂包括弱酸阳离子交换树脂和强酸阳离子交换树脂，阴离子交换树脂包括弱碱阴离子交换树脂和强碱阴离子交换树脂。
- 常用离子交换树脂的使用性能
- 弱酸阳离子交换树脂：该树脂主要用于去除水中的碳酸盐硬度，即除去碳酸盐硬度中的钙镁离子，对碳酸盐硬度主要以去除钙硬度为主，对镁硬度低的水处理效果佳。使用该树脂处理后的水的非碳酸盐硬度不变。当原水中的非碳酸盐硬度较低时，处理后的水应该添加石膏或氯化钙以调整碳酸盐硬度和非碳酸盐硬度的比值。
- 弱酸阳离子交换树脂只能部分去除钠离子，要全部去除钠离子，需要使用强酸阳离子交换树脂。
- 需要注意的是，在使用弱酸阳离子交换树脂进行交换的过程中会形成二氧化碳，应设置脱气塔配合以机械鼓风将其排除。弱酸阳离子交换树脂的交换原理如下
- 交换：
- AH2 + Ca(HCO3)2 → ACa + 2CO2↑ + 2H2O
- AH2 + Mg(HCO3)2 → AMg + 2CO2↑ + 2H2O
- 再生：
- ACa + 2HCl → AH2 + CaCl2
- AMg + 2HCl → AH2 + MgCl2
- 交换：
- 强酸阳离子交换树脂：该树脂可以用于去除水中各类盐类的阳离子，如钙离子、镁离子和钠离子等，并同时释放来自碳酸氢根的二氧化碳和来自其他盐类的无机酸。所以在水处理过程中容器和管道材料必须耐酸（塑料或硬质橡胶），不过由于后面的酿造设备不耐酸，这些无机酸必须全部中和掉。中和的方法有两种：第一种是使用饱和石灰水中和，由此形成的非碳酸盐硬度全部是钙硬度，既降低了残余碱度，又消除了镁离子对口味带来的不良影响。第二种是将原水与处理后的水混合，原水中的碳酸盐与处理后的水中的无机酸结合形成非碳酸盐和游离的钙离子。
- H2SO4 + Ca(HCO3)2 → CaSO4 + 2CO2↑ +2H2O
- 2HCl + Mg(HCO3)2 → MgCl2 + 2CO2↑ +2H2O
- 使用这种方法时只能处理60%的水，其余部分则用作中和水，这样就必须注意水中的镁硬度不能过高，防止混合后的水中残存较高的镁硬度而达不到工艺要求，实际生产中主要使用饱和石灰水中和法。
- 强酸阳离子交换树脂的使用受到非碳酸盐硬度（硝酸盐含量高）的限制，当非碳酸盐硬度过高，大于2.14mmol/L或硝酸盐含量过高时，应考虑与弱碱阴离子交换树脂联合使用。为了延长使用寿命和节省再生成本，在强酸阳离子交换树脂前可安装一个弱酸阳离子交换树脂。强酸阳离子交换树脂的交换原理如下
- 交换：
- AH2 + CaSO4 → ACa + H2SO4
- AH2 + MgCl2 → AMg + 2HCl
- AH + NaHCO3 → ANa + H2O + CO2↑
- AH + NaNO3 → ANa + HNO3
- 再生：
- ACa + H2SO4 → AH2 + CaSO4
- ANa + HCl → AH + NaCl
- 交换：
- 弱碱阴离子交换树脂：该树脂主要用于非碳酸盐硬度的处理，可以降低或除去某些阴离子含量，也是去除硝酸盐的主要方法。它也可以用来中和强酸阳离子树脂处理后水中的无机酸。一般情况下，弱碱阴离子交换树脂采用支流连接，并与强酸阳离子交换树脂联合使用。这种组合能将水中的离子全部去掉，但在实际生产中，对于酿造用谁来说，既没有必要，也不希望这样做。因此通常在处理后的水中添加硫酸钙、氯化钙或与原水混合，从而将硬度调节到规定要求。弱碱阴离子交换树脂的交换原理如下
- 交换（经强酸阳离子交换树脂处理后）：
- AOH + HCl → ACl + H2O
- AOH + HNO3 → ANO3 + H2O
- A(OH)2 + H2SO4 → ASO4 + 2H2O
- 再生：
- ACl + NaOH → AOH + NaCl
- ANO3 + NaOH → AOH + NaNO3
- ASO4 + 2NaOH → A(OH)2 + Na2SO4
- 交换（经强酸阳离子交换树脂处理后）：
- 强碱阴离子交换树脂：该树脂可以和阳离子树脂联用，也可以单独使用，用于除去硝酸盐。它可以用NaCl再生，也可用酸再生，具有使用方便、经济的优点。其缺点是所有阴离子都同氯离子交换，形成的非碳酸盐全部是氯化物，对啤酒口味不利，氯离子含量过高也容易腐蚀设备和管道。此法只适用于低盐水，使用时应采取防腐蚀措施并加强检测。强碱阴离子交换树脂的交换原理如下
- 交换：
- ACl + NaNO3 → ANO3 + NaCl
- ACl2 + CaSO4 → ASO4 + CaCl2
- 再生：
- ANO3 + NaCl → ACl + NaNO3
- ASO4 + 2NaCl → ACl2 + Na2SO4
- 交换：
反渗透法
- 反渗透原理：
- 渗透作用：两种不同浓度的溶液由一半渗透膜隔开的时候两溶液趋向于使浓度相等，因而稀溶液的溶剂将向浓溶液的一侧渗透，这种溶剂的转移过程最终导致版渗透膜浓度高的一侧的体积增大，或使该侧液柱压力升高。在一定时间后（取决于溶液的浓度和组成以及薄膜类型）版渗透膜两侧压力达到平衡，此时溶剂的扩散终止，这种平衡时的压力称为渗透压。参见百度百科
- 反渗透作用：两种不同浓度的溶液由一半渗透膜隔开，在浓溶液一侧施加压力，该压力大于渗透压，从而使纯水（渗透液）通过半渗透膜方向扩散。压力是这一过程中唯一需要的能量，通常约为2.5MPa。参见百度百科
除离子外，反渗透法也可以将水中的有机物质、细菌、病毒等分离出去。
薄膜由醋酸纤维或聚酰胺材料制造，或空心纤维-聚酰胺薄膜的组合结构形式，空心纤维孔隙20~50μm。待处理的水流经中心分配器以辐射状向外围流动并通过空心纤维束和网栅。分子的自身体积比薄膜孔径要小。空心纤维在ph4~11有较高的稳定性，它对其他的化学作用和生物影响也不敏感。
薄膜对水中阴离子或阳离子的阻流能力是不同的，取决于离子的价和半径，如钠离子比钙镁离子具有更强的渗透性。盐的渗透取决于原水中的盐含量，低于1g/L时不会对设备造成影响。
操作步骤：原水经过过滤机，尽可能将胶体、悬浮物、无机或有机杂质、铁、锰等聚电解质除去，以减少滤膜的堵塞，在堵塞较少的情况下，运行几周后清洗可除去堵塞物。粗过滤后的水经一高压泵，流经一个精细过滤机（5~10μm）泵入反渗透设备中，适当利用废热将水加热。随处理进行，为避免盐浓度上升而使浓缩区水中内容物质析出，同时也为提高设备水处理能力，水中还加入硫酸或二氧化碳至ph6.5，使沉淀转化。游离出的二氧化碳喷淋排除。为使硬度成分稳定还可以加入六偏磷酸盐。出来的水可以和适量原水混合或通过添加饱和石灰水达到所需的残余碱度，或添加CaCl2改善。出水率85%~90%就可以，不可避免有较多的盐渗透。处理后的水，因离子渗透能力差异导致所有负硬度出现即碱性物质存在，可添加适量硫酸钙或CaCl2改善。浓水可作为冲洗水再利用。
反渗透处理法不污染环境，因为几乎没有使用化学药品；可除去离子交换树脂不能去除的化合物；没有细菌的污染；自动的工作方式——易操作控制，工作量小；所需空间小；可能比其他方法费用低。
电渗析法
水中的溶解盐类，多数以离子形式存在，在外加直流电场的作用下，利用水中离子具有选择透过性的特点，使水中阴阳离子在交换膜两侧迁移，从而达到除去盐类的目的。一般除盐率达到58%~68%，即可以降低水的硬度，ph值也能达到使用要求。食盐含量高（500~1000ml/L）和总硬度过高的水用此方法处理比较合适。
水的除菌
啤酒厂用水必须符合GB 5749-2006 生活饮用水卫生标准。为了使水质达到规定要求并保持纯净状态，可采用下列方法：
- 无菌过滤。通过无菌过滤可以达到除菌目的。水质的澄清是无菌过滤的重要前提，否则过滤机会很快被堵塞。
- 紫外线灭菌。这种方法既卫生又可靠，但设备损耗大，处理能力低；水层必须很薄，浑浊和色泽会影响灭菌效果。此外，细菌数量大时，照射量也必须随之提高，必须定期更换紫外线灯并检查其作用。
- 臭氧灭菌（O3）。对空气中的氧进行放电处理可获得臭氧（O3），氧化作用会破坏细菌的细胞膜，从而达到杀菌的目的。此方法既卫生又可靠，但投资费用很高。可将紫外线照射与臭氧结合起来对水进行灭菌处理。最大用量为10mg/L，浓度为0.005%。
- 通氯气灭菌。忘水中通入氯气产生次氯酸（HClO）,次氯酸分解为HCL和氯化能力很强的原子态的氧，通过氧化破坏细胞膜杀死微生物。此方法所需要设备很少，但如果水中存在有机物或酚，则会产生有害物质（AOX、氯酚、三卤素甲烷等）。最大用量为1.2mg/L
- 二氧化氯灭菌。二氧化氯是一种不稳定的气体，它由HCL和亚氯酸钠（NaClO2）反应生成，并立即添加。最大用量为0.4mg/L。
- 同上述方法相比，这种方法有以下优点：
- 水的口味不发生改变
- 形成的AOX和氯很少
- 费用很低
- 生产过程非常安全
- 灭菌效果可靠
- 但这种方法要求添加量准确，而且添加后需要足够长的反应时间，同时必须进行监控。此外，温度越高，二氧化氯就越不稳定。
- 注：采用活性氯和臭氧处理后的水中三卤素甲烷以及残余氯的含量最高不得超过0.001%。
- 银离子灭菌。银离子具有杀菌效果，水在银极间流过，银离子会杀死水中的细菌。
水质调节计算器
介绍一个水质调节计算器，可以很方便地设计出需要达到的水的标准，并且会根据设计中添加的酸、盐等物质计算出相应的pH值与水重离子的含量，使用起来相当方便。
其中的SO42-/Cl- ratio，为硫酸根与氯酸根的比值。由于这两个酸根对口感起到主要的影响作用，所以这个比值可以直观地反映出最终啤酒的口感，比值越小代表口感越柔软醇厚，比值越大代表口感越发干。
