Diskussion:Wasser

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 Alkalinität wird durch die Hydrogencarbonationen gebildet.

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 Magnesiumcarboant.

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 Rohwasser 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). 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 für Espressomaschinen und Dampferzeuger

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.

Ob und wieviel Carbonat (Kalk) ausfallen kann, hängt ab von

• KH Carbonathärte
• pH-Wert

Der pH-Wert spielt eine Rolle, wenn es darum geht, wie die Löslichkeit dieser Ionen von der Temperatur abhängt. Wird z.B. ein Dampfkessel mit 130°C betrieben, fällt bei einem pH-Wert über 7 (basisch) praktisch die gesamte Carbonathärte aus. Bei basischem Wasser darf deshalb keinerlei Härte mehr vorhanden sein.

Bei einem pH-Wert deutlich unter 7 bleibt ein Teil der Ionen weiterhin in Lösung. Es fällt weniger oder kein Kalk aus. In diesem Fall kann ein Dampfkessel auch mit einer gewissen Härte betrieben werden.

Laut lässt sich das Ausfallen von Härte (Carbonaten, Kalk) abhängig vom pH-Wert auch als Abhängigkeit von der Temperataur und der Alkalinität darstellen. Siehe folgende Tabelle.

Maximal, nicht ausfallende Härte in [ppm as CaCO3], abhängig von Temperatur und Alkalinität [ppm as CaCO3]

°C	bar	33	37	40	43	47	50	53	57	60	63	67	70
90	--	342	250	202	166	130	110	93	77	67	59	51	46
95	--	280	205	166	136	106	90	77	63	55	49	42	38
115	0.67	130	95	77	63	49	42	37	31	27	24	21	19
120	1.00	108	79	63	52	41	36	31	26	23	21	18	16
125	1.33	89	65	53	43	35	30	26	22	20	18	15	14
130	1.67	75	55	44	37	30	26	22	19	17	15	13	12

Maximale nicht ausfallende Härte in [°dH], abhängig von Temperatur und Alkalinität in [°dH] und [mg/l HCO3-]

°C	bar	1,848 40,26	2,072 45,14	2,24 48,8	2,408 52,46	2,632 57,34	2,8 61	2,968 64,66	3,192 69,54	3,36 73,2	3,528 76,86	3,752 81,74	3,92 85,4
90	--	19,152	14	11,312	9,296	7,28	6,16	5,208	4,312	3,752	3,304	2,856	2,576
95	--	15,68	11,48	9,296	7,616	5,936	5,04	4,312	3,528	3,08	2,744	2,352	2,128
115	0.67	7,28	5,32	4,312	3,528	2,744	2,352	2,072	1,736	1,512	1,344	1,176	1,064
120	1.00	6,048	4,424	3,528	2,912	2,296	2,016	1,736	1,456	1,288	1,176	1,008	0,896
125	1.33	4,984	3,64	2,968	2,408	1,96	1,68	1,456	1,232	1,12	1,008	0,84	0,784
130	1.67	4,2	3,08	2,464	2,072	1,68	1,456	1,232	1,064	0,952	0,84	0,728	0,672

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.

• 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 Molmasse 100. Man rechnet die Konzentration in mmol/l aus und verwendet aber die Molmasse von CaCO3 (100) um damit eine normierte Konzentration in ppm zu erhalten.

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

• 0,178 mmol/l CaO bei einer Molmasse 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 z.B. 20% bis 35% unbehandeltes Wasser beigemischt.

Da Enthärtung das Wasser basisch macht, darf man Wasser aus Enthärtungsanlagen mit Verschnitt nicht im Dampfkesseln verwenden. Die Carbonathärte würde nahezu komplett ausfallen.

In der Gastronomie wird teilweise Enthärtung ohne Verschnitt für Espressomaschinen, Dampferzeuger usw. 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.

Von den großen Herstellern verwenden diese Systeme Enthärtung:

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

Entcarbonisierung

Bei der Wasserstoffentcarbonisierung wird dem Wasser Härte und Alkalinität in gleichem Verhältnis entzogen. Da hierbei auch CO2 entsteht, wird das Wasser sauer. Dies ermöglicht, dass Dampferzeuger auch mit einer gewissen Resthärte betrieben werden können, ohne dass in ihnen Kalk ausfällt.

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.

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 und das sollte sich auch in den Messergebnissen widerspiegeln.

Eine Besonderheit sind Proben hinter einer Enthärtungsanlage. Da hier der Großteil der Härte entfernt wurde, die Alkalinität aber unverändert ist, spiegelt dies auch der 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.