В последние несколько десятилетий воде уделялось повышенное внимание в рамках производственно-сбытовой цепочки кофе. Это относится не только к методам выращивания и обработки, но и к тому, как экстракция может повлиять на сенсорные свойства кофе в чашке.
Общие вопросы, связанные с составом и характеристиками воды, мы рассмотрели в статье «Вода для кофемашины. Состав и характеристики». В этой заметке мы остановимся на методах очистки воды и рассмотрим основные компоненты профессиональной системы фильтрации.
Методы очистки воды
В целом методы очистки воды можно разделить на пять общих категорий:
- Фильтрация: удаление частиц, микробов или органических соединений, вызывающих неприятный запах (например Everpure 4C).
- Ионообменный: основан на замещении одних ионов на другие, при этом выделяют декарбонизацию (например Brita Purity C500) и умягчение (например Brita Purity 1200 Finest)
- Обратный осмос: неселективное удаление всех растворенных твердых частиц фильтрацией через полупроницаемую мембрану, то есть проницаемую только для воды, но не для других компонентов, присутствующих в воде (например Brita Proguard Coffee 50 или Everpure CONSERV 75E)
- Дистилляция: основана на испарении, когда вода нагревается до образования пара, который после остывания конденсируется.
- Осаждение: используется в основном для преобразования растворенных ионных частиц в твердофазные частицы, которые можно удалить из водной фазы путем коагуляции и фильтрации.
Последние два метода достаточно дорогостоящие и сложные. По этой причине они обычно не используются в процессе водоподготовки для приготовления кофе.
Влияние методов очистки воды на жесткость и щелочность
Две основные концепции, связывающие воду с кофе: щелочность и общая жесткость.
Щелочность:
Представляет собой способность воды буферизовать кислоты. Другими словами количество кислоты, которое необходимо добавить в пробу воды до достижения определенного значения pH, является мерой ее щелочности. Если, например, в кофейный напиток добавить кислоту, его pH снизится. Чем больше кислоты необходимо добавить для достижения определенного pH, тем выше щелочность.
Не следует путать щелочность с раствором, имеющим щелочной pH, что просто означает, что его pH выше 7 (при 25 C). Таким образом, щелочность отражает способность воды или кофе противостоять изменению pH при добавлении кислоты, независимо от фактического значения pH.
Общая жесткость:
Определяется в соответствии с мировыми промышленными нормами как сумма количеств или эквивалентных концентраций кальция и магния.
С другой стороны, карбонатная жесткость определяется максимальным количеством накипи, которое может образоваться для данного состава воды, и определяется общим минимумом общей жесткости и щелочности, в зависимости от того, что ниже.
Во время образования накипи общая жесткость и щелочность снижаются в равной степени.
Что касается экстракции кофе, чистую питьевую воду без запаха можно точно охарактеризовать по ее жесткости (как показателю эффективности экстракции) и щелочности (как показателю ее буферной способности к кислотам). На рисунке ниже представлен обзор изменений жесткости и щелочности в результате наиболее распространенных методов очистки.
Влияние методов очистки на жесткость и щелочность воды
Умягчение
Для процесса умягчения используется катионный обменник, где ионы кальция (Ca2+) и магния (Mg2+) обмениваются на ионы калия (K+) или натрия (Na+). На рисунке изменение состояния воды для двух исходных составов отмечено вертикальной прямой бирюзового цвета (цифра 1). Процесс умягчения влияет только на жесткость воды. Щелочность не изменяется.
Декарбонизация
Для процесса декарбонизации используется катионный обменник, в котором ионы кальция (Ca2+) и магния (Mg2+) заменяются на ионы водорода (H+). На рисунке изменение состояния воды для двух исходных составов отмечено синей прямой (цифра 2). Процесс декарбонизации в одинаковой степени влияет на жесткость и щелочность воды не зависимо от ее исходного состава (например Brita Purity C500).
Декарбонизация с умягчением
В комбинированном методе очистки дополнительно к процессу декарбонизации применяется в незначительном степени умягчение (например Everpure Claris Ultra 500). На рисунке изменение состояния воды для двух исходных составов отмечено цифрой 2.1. Результат комбинированного процесса зависит от исходного состава воды. В случае с более жесткой водой (состояние А) умягчения дополнительно снизит общую жесткость, тогда как в состоянии Б этот эффект будет нивелирован.
Деминерализация
Процесс деминерализации предполагает технологию обратного осмоса, когда происходит деионизация воды путем ионного обмена, удаляющая ионы независимо от исходного состава. На рисунке процесс деминерализации показан диагональной оранжевой прямой (цифра 3), направленной в сторону начало ординат. Процесс влияет как на жесткость, так и на щелочность воды. Степень влияния зависит от исходного состава. Для более жесткой воды (состояние А) влияние на жесткость будет заметнее.
Выщелачивание
Для процесса выщелачивания используется анионный обменник, где ионы гидрокарбоната (HCO3—) заменяются на ионы хлора (Cl—). Данный метод пока коммерчески недоступен для кофейных применений. Альтернативой анионному обменнику может быть сильная кислота (например, соляная HCl). На рисунке процесс выщелачивания показан горизонтальной прямой салатового цвета (цифра 4). Процесс выщелачивания приведет только к снижению щелочности, общая жесткость не изменится.
Измерение:
- Чистую воду, не содержащую твердых частиц и неприятного запаха, можно точно охарактеризовать для использования при экстракции кофе путем измерения жесткости и щелочности.
- Оба показателя можно измерить титрованием, для чего существуют простые в использовании коммерческие наборы.
Исследования и отраслевые рекомендации по уровням жесткости предлагают относительно широкий диапазон: минимальный и максимальные значения могут отличаться в 5 раз. С другой стороны, рекомендуемая вариации для щелочности намного меньше: рекомендуемые минимальные и максимальные значение отличаются в 2 раза.
Соотношение жесткости и щелочности воды
Для воды с показателем pH ниже 8,3 щелочность может быть точно рассчитана по содержанию гидрокарбонатов (HCO3—), т.к. все остальные компоненты (CO32-, OH— и H+) присутствуют в концентрациях на несколько порядков ниже, чем HCO3—. По этой причине для большинства вод принято считать, что значение карбонатной жесткости соответствует показателю щелочности. При pH выше 8,3 значительный вклад карбонатного иона CO32- также необходимо учитывать, хотя это происходит только в регионах с очень жесткой водой (более 370 ppm CaCO3 щелочности).
Зависимость жесткости и щелочности воды от pH
Для идеального эспрессо рекомендуется, чтобы соотношение общей и карбонатной жесткости воды находилось в соотношении 2:1. Другими словами, карбонатная жесткость должна составлять половину общей жесткости.
Компоненты системы фильтрации воды
Прежде чем рассматривать компоненты профессиональной системы фильтрации, стоит упомянуть про отдельный сегмент рынка – умягчители воды. Речь идет про солевые умягчители с ручной регенерацией ионообменной смолы. Их часто путают с системами фильтрации, делая акцент на низкой стоимости. По этой причине необходимо расставить все точки на «i».
Основные отличия умягчителя от системы фильтрации:
- умягчитель используется только для защиты оборудования от накипи, а системы фильтрации для комплексной водоподготовки, куда в том числе входи процесс умягчения или декарбонизации
- в умягчителе отсутствует опция контроля для проведения своевременной регенерации ионообменной смолы
- регенерация умягчителя требует значительное время (минимум 45 минут для объема 8 л), тогда как системы фильтрации обслуживаются за считанные минуты
- ионообменная смола в умягчителе состоит из натрия, который при взаимодействии с достаточным количеством хлора может стать причиной коррозии
Фильтры (сменные картриджи)
Многоступенчатые системы фильтрации (например Brita C500 или Everpure Claris Ultra 500) подготавливаются воду в несколько этапов, используя различные методы очистки воды на каждом из них. Количество ступеней очистки (этапов) зависит от исходного качества водопроводной воды и выбранной системы фильтрации.
Ведущие производители предлагают разные категории фильтров в зависимости от исходного качества воды и области применения (кофемашины, вендинговые аппараты, пароконвектоматы, посудомоечные машины и т.д.).
Этап №1. Предварительная фильтрация
Фильтр предварительной очистки задерживает крупные частицы (например Everpure 7TO-BW).
Этап №2. Основная фильтрация
На этапе основной фильтрации в зависимости от качества исходной воды и целевого назначения выбранной системы могут проходить следующие процессы:
- Снижение карбонатной жесткости: фильтрующий материал снижает карбонатную жесткость воды ионообменным методом (декарбонизация)
- Уменьшение общей жесткости: фильтрующий материал снижает общую жесткость воды ионообменным методом (умягчение)
- Частичная деминерализация: после процесса снижения жесткости вода может дополнительно поступать в фильтрующий элемент для снижения количества оставшихся ионов
- Обратный осмос и минерализация: мембрана обратного осмоса защищает от коррозии, накипи и отложений; процесс минерализации обеспечивает оптимальный уровень минеральных веществ.
Если водопроводная вода изначально мягкая или очень мягкая, то имеет смысл устанавливать системы, в которых после предварительной фильтрации (этап №1) сразу идет очистка активированным углем (этап №3).
Этап №3. Очистка активированным углем
Вода проходит через фильтр с активированным углем, который удаляет вещества, ухудшающие вкус и аромат (например Everpure 4C).
Этап №4. Тонкая очистка
Процесс финальной очистки, предусматривающий удаление оставшихся мельчайших частиц (например Everpure BW4400).
Профессиональная система водоподготовки может быть реализована в одном или нескольких сменных картриджах. Это зависит от производителя и применяемых методах очистки воды.
Головная часть (крышка фильтра)
Данный компонент отвечает за подачу не подготовленной водопроводной воды к фильтрам и водоотведение воды, прошедшей все ступени очистки, к потребителю.
Кроме этого, на головной части находится система байпасс, предназначенная для настройки объема обходного потока. Другими словами, значение байпасс – показатель относительной доли потока, который обойдет этап основной фильтрации (Этап №2), сэкономив при этом ресурс картриджа.
Различают головные части с фиксированными и регулируемыми настройками байпасс (например Brita 0-70% или Claris Gen2 QCF). Последние позволяют выставлять значения байпасс с учетом фактической жесткости воды и рекомендаций таблицы байпассов и емкостей.
Аксессуары
К категории аксессуаров системы фильтрации можно отнести шланги, клапаны, расходомеры (счетчик Brita или Claris), редукторы, кронштейны, дисплеи, шланги и комплекты для тестирования жесткости.
Заключение
Выбор системы фильтрации для приготовления эспрессо следует начинать с определения качественных характеристик воды, включая такие показатели как общая жесткость, карбонатная жесткость и уровень pH.
Зная параметры воды и понимая то, какое влияние оказывают методы очистки воды на ее конечные характеристики, можно приступить к выбору системы фильтрации. Разумеется, сотрудники компании, специализирующейся на решениях водоподготовки, вас должным образом проконсультируют. Тем не менее, эти базовые знания помогут ориентироваться в терминологии и нюансах этой области.
Что запомнить?
- Фильтрация является одним из механических методов очистки воды и применяется наряду с другими методами в многоступенчатой системе очистки. Предварительная фильтрация характерна для первой ступени очистки, тонкая очистка — для финальной стадии.
- Декарбонизация и умягчение являются частными случаями ионообменных методов очистки воды.
- Обратный осмос является неизбирательным методом очистки воды и синонимом полной деминерализации. В рамках комплексной системы водоподготовки воды для кофемашин должен предшествовать процессу минерализации (добавлению необходимого количества веществ, способствующих экстракции кофе)
- Для большинства случаев (pH воды <8.3) принято считать, что значение карбонатной жесткости соответствует показателю щелочности.
- Если в исходном составе водопроводной воды соотношение общей и карбонатной жесткости 2:1, то для идеального эспрессо рекомендуется система фильтрации с технологией декарбонизации.
- Если в исходном составе водопроводной воды соотношение общей и карбонатной жесткости выше, чем 2:1, то для идеального эспрессо рекомендуется система фильтрации с технологией декарбонизации и умягчения.
