Znajdź zawartość

Bąbelki w piwie, rzecz o nagazowaniu Z tematem nagazowania piwa spotkałem się kompletując swój pierwszy zestaw do wyszynku piwa z kega. Wydawało się to proste. Skręcić, sprawdzić wycieki, pociągnąć za dźwignię kranu i zacznie pięknie lecieć. Cóż, lecieć leciało, ale nie do końca tak jak chciałem. Dalsza część tej historii, która powinna być jej początkiem, zaczyna się tak. Wziąłem drugi prysznic, tym razem medium myjącym była woda a nie piwo. Jak tylko się przebrałem, to zacząłem czytać o co chodzi z tym nagazowaniem. Artykuł pisałem w oparciu o dwie pozycje: Principles of Brewing Science : A Study of Serious Brewing [1], stąd pochodzą informacje związane z kegowaniem i wysyceniem z butli CO2 Podstawy fizyki tom 2, cała teoria dotycząca gazów W poniższym artykule postaram się pokazać, że wysycenie piwa nie jest jakimś magicznym procesem. Podlega prawom fizyki napędzanym przez chemię. Zrozumiesz jak działają kalkulatory, dlaczego trzeba podawać temperaturę piwa w trakcie wyliczeń surowca do refermentacji. Czym jest jednostka wysycenia używana w piwowarstwie. Jakie ciśnienie ustawić na reduktorze i dlaczego tak ważna jest temperatura. W końcu powiem jak nalać piwo z kranu, aby napełnianie kolejnej szklanki było tak samo przyjemne jak jej opróżnianie. W piwowarstwie najczęściej używanym gazem do wysycenia jest dwutlenek węgla (CO2). Dwutlenek węgla w bardzo dużych ilościach wytwarzany jest podczas fermentacji. Duże browary inwestują w specjalny sprzęt, aby go odzyskiwać. Dzięki temu są w stanie obniżyć koszty sztucznego wysycenia kegów, przepychać piwo oraz zapewniać mu warunki osłonowe, by nie miało styczności z powietrzem. Jako piwowarzy domowi wykorzystujemy fermentację wtórną, aby wytworzyć dwutlenek węgla w butelce. Dodajemy trochę cukru przed nałożeniem kapsla . Podczas fermentacji w zamkniętej butelce, produkowany dwutlenek węgla powoli nasyca piwo bąbelkami. Ważna jest ilość cukru, piwo musi być takie jak lubisz. Zanim opowiem o tym co się dzieje w butelce, trzeba powiedzieć czym jest gaz i jakie ma właściwości. Gaz, jest to stan skupienia materii, w którym ciało fizyczne łatwo zmienia kształt i wypełnia dostępną przestrzeń. Cząsteczki gazu mają pełną swobodę ruchu. Poruszają się w sposób chaotyczny, często zderzając się ze sobą. W przypadku, gdy gaz zostanie zamknięty w pojemniku, to cząsteczki również zderzają się ze ściankami pojemnika. Suma sił wszystkich zderzeń to wywierane ciśnienie. Cząsteczki gazu poruszają się tym szybciej im większa jest temperatura. Zwalniają wraz ze spadkiem temperatury. Przyjrzyj się rysunkowi. Wektory pokazują ruch cząsteczek. Im dłuższy wektor tym cząsteczka gazu ma większą energię. Natrafiając na ściankę nie jest w stanie się przebić i odbija się. Można założyć, że butelka, czy też keg piwa nie zmienia swojej objętości. W takim przypadku ciśnienie można zwiększyć na dwa sposoby: podnosząc temperaturę, cząsteczka porusza się szybciej, tym samym siła uderzenia w ściankę naczynia jest większa wprowadzając więcej cząsteczek gazu w tej samej objętości, co doprowadzi do większej ilości kolizji Pojawiły się dwie zmienne. Temperatura oraz ilość gazu. O temperaturze mamy pojęcie, odczytamy ją z termometru. Temperatura określa wypadkową energię cząsteczek. Problem jest z ilością cząsteczek gazu, ponieważ są to ogromne liczby. W tym przypadku mądre głowy wprowadziły odpowiednio dużą jednostkę zwaną molem. Mol jest to nic innego jak jednostka liczności cząsteczek używana w naukach chemicznych i fizycznych. Jeden mol jest to ogromna liczba, która wynosi 6,022140857×1023 sztuk czegoś. Dokładnie tyle co Stała Avogadra, nie jest to przypadek. Jeżeli weźmiesz jeden mol cząsteczek dwutlenku węgla, to będą miały wagę 44 gramów. Jest to suma mas 6,022140857×1023 pojedynczych cząsteczek CO2. Bardziej szczegółowo o molach opowiadałem w opracowaniu o wodzie w browarze domowym. Z gazem wiąże się jeszcze jedna właściwość - rozpuszczalność w cieczy. Rozpuszczalność gazu zależy od temperatury oraz ciśnienia. Jeżeli temperatura rośnie, rozpuszczalność gazów maleje. W przypadku gdy ciśnienie rośnie, rozpuszczalność gazów również wzrasta. Zależność tą odkrył i opisał William Henry. Mówię tu o prawie Henry’ego, które opisuje zależność rozpuszczalności gazu w cieczy od ciśnienia. p = nKH gdzie: p - ciśnienie cząstkowe (parcjalne). W przykładach pominę inne gazy, w tym powietrze które w domowych warunkach jest wszechobecne. Będzie zakładał ciśnienie wywierane przez dwutlenek węgla. n - ilość moli gazu rozpuszczona w rozpuszczalniku, którym jest piwo. KH - to stała Henry’ego, która czasem w literaturze nazywana jest współczynnikiem Henry’ego, bo łączy w sobie zależność pary gaz-ciecz oraz temperaturę w jakim proces zachodzi. Trzeba jej szukać w tabelach. W temperaturze 25°C i ciśnieniu atmosferycznym 1 atm wynosi ona około 29.41 [L*atm/mol]. Ta stała jest prawdziwa tylko w tym ciśnieniu i tej temperaturze. Zmiana któregokolwiek z parametrów zmienia jej wartość. Wysycenie poprzez refermentację Refermentacja to tylko nazwa jednego z procesów w produkcji piwa. Reakcja, która zachodzi, to nic innego jak fermentacja. Opisuje ją poniższa formuła. C6H12O6(glukoza) → 2C2H5OH (etanol) + 2CO2 (dwutlenek węgla) Cząsteczka glukozy jest zamieniana przez drożdże na dwie cząsteczki etanolu i tyle samo dwutlenku węgla. W przypadku nagazowania, chcę wiedzieć ile waży dwutlenek węgla. Tabele podają, że masa molowa etanolu wynosi 46 g/mol, natomiast masa molowa dwutlenku węgla to 44 g/mol. Masy są zbliżone do siebie, do tego stopnia, że książki piwowarskie często podają, że w wyniku fermentacji powstaje tyle samo etanolu co dwutlenku węgla. Fermentor stanowi dobrą barierę dla otaczającego go powietrza. W wyniku fermentacji, młode piwo nasyca się się dwutlenkiem węgla. Nadmiar uciekł przez rurkę fermentacyjną. Po skończonej fermentacji, w piwie jest już dość sporo rozpuszczonego CO2. Dodanie cukru na refermentację podniesie jego ilość. Pytanie o ile? By na to odpowiedzieć, muszę najpierw wyliczyć ile dwutlenku węgla mam rozpuszczone w młodym piwie. W tym pomoże prawo Henry’ego. Na koniec fermentacji, kiedy dwutlenek węgla nie jest już wytwarzany, to ciśnienie w fermentorze wyrówna się z atmosferycznym. W realnym świecie dochodzi jeszcze zjawisko dyfuzji i strat CO2 przy napełnianiu butelek. Pominę je w przykładach, by nie wprowadzać zbytniej komplikacji. Najprościej będzie wytłumaczyć na przykładzie. Piwo w stylu belgijskim zakończyło fermentację w 25°C, taka temperatura utrzymywała się kilka dni. W pokoju barometr pokazywał 1 atm. Stała Henry’ego dla tych warunków wynosi KH = 29,41[L*atm/mol]. Przekształcam wzór i liczę. Ilość CO2 w molach wynosi n = p / KH, zatem n = 1 / 29.41 = 0,034 [mol/L]. W jednej butelce półlitrowej będzie połowa tej wartości czyli 0,017 mola gazu. Teraz chcę wiedzieć, ile dwutlenku węgla zostało wytworzone podczas refermentacji. Dodałem do butelki 1,8 grama glukozy, zatem fermentacja wytworzyła około 0,9 grama CO2 i drugie tyle etanolu. Zerkam na tabelę opisującą dwutlenek węgla i już wiem, że jego masa molowa wynosi 44 g/mol. Zatem 0,9 [g] / 44 [g/mol] ~= 0,02 [mol]. Łącznie mam 0,017 + 0,02 = 0,037 mola gazu. W piwowarstwie wysycenie podaje się objętościowo (ang. volume). Zapisując skrótem vol. lub v/v. Wartość 1 vol. oznacza, że w 1 litrze piwa rozpuszczony jest 1 litr gazu. Jeżeli w butelce półlitrowej zostanie ściśnięte 1,5 litra gazu, wtedy nagazowanie będzie na poziomie 1,5 / 0,5 = 3 vol. Problem z tą jednostką jest taki, że aby ją wyliczyć trzeba również znać temperaturę. Zgodnie z opisem metody tego kalkulatora, w przypadku butelek, używa się warunków normalnych. Czyli ciśnienie atmosferyczne 1 atm oraz temperatura 0°C. Butelkę z nałożonym kapslem mogę traktować jako układ zamknięty. Nic się z niej nie wydostaje, w przeciwieństwie do fermentora z rurką. Pominę również dyfuzję i założę, że nie ma w ogóle gazu w szyjce. Butelka nalana ‘pod kapsel’. W takich warunkach cały gaz będzie w piwie. Aby obliczyć objętość, w takich warunkach jak założyłem, mogę użyć okrycia Benoîta Clapeyrona, czyli równania stanu gazu doskonałego. Dwutlenek węgla nie jest gazem doskonałym, jednakże w warunkach jakie mamy, możemy go tak traktować. Wzór wygląda tak: pV = nRT szukamy objętości: V = nRT/p Objaśnienia składowych: p - ciśnienie [Pa], w naszym przypadku ciśnienie atmosferyczne 1 atm = 101325 Pa V - objętość [m3], jedna butelka to 0,0005 m3 n - liczba moli gazu [mol] R - stała gazowa, która wynosi: R = 8,314 J/mol*K T - temperatura bezwzględna °K (wyliczasz ją dodając do temperatury w °C wartość 273,15) Powyższy wzór, wprowadza relację między ciśnieniem, ilością cząsteczek gazu, objętością oraz temperaturą. Zmieniając jeden parametr, reszta dąży do równowagi, tak aby równanie było ciągle spełnione. Objętość CO2: V = 0,037 [mol] * 8.314 [J/mol*K] * 273,15 [K] / 101325 [Pa] = 0,00083 [m3]. Zamieniajac na litry mam łącznie 0,83 litra dwutlenku węgla w butelce półlitrowej. Mogę już policzyć wysycenie, które wynosi około 0,83 / 0,5 = 1,66 vol. Jest to dość niskie wysycenie jak na piwa belgijskie. Należałoby dodać więcej cukru na refermentację. Za to wynik jest też bardzo bliski temu, co wyliczają kalkulatory. W realnym świecie wygląda to tak, że butelka ma pojemność trochę większą niż pół litra oraz będzie trochę gazu w szyjce. Do butelki trafi również trochę powietrza. Tlen zostanie pobrany przez drożdże, część wejdzie w reakcje z piwem. Azot jest bardzo słabo rozpuszczalny i głównie będzie w szyjce. Dodatkowo część dwutlenku węgla uleci, bo prawo Henry’ego musi być zachowane, i podzieli miejsce z azotem. Powyżej chciałem pokazać skąd biorą bąbelki oraz dlaczego trzeba uwzględniać temperaturę rozlewanego piwa. Nawet w przypadku gdy zrobiłeś cold-crash, to powinieneś użyć najwyższej temperatury po fazie burzliwej fermentacji. Nikt z nas nie liczy nagazowania sposobem jaki pokazałem. W praktyce do prawidłowego wyliczenia nagazowania, surowca do refermentacji, używany jest kalkulator. Dobry kalkulator uwzględnia straty CO2 przy napełnianiu butelek, ilość miejsca w szyjce, oraz pewnie kilka innych czynników. Używam najczęściej narzędzia dostarczonego przez Brewer’s Friends. Aby dobrze trafić w metodologię tego narzędzia, nie trzeba robić nic innego jak unikanie natlenienia. To znaczy, nalewać piwo tak, aby się nie pieniło i zostawić jak najmniej powietrza w szyjce. W moim przypadku, gdzie używam rurki do rozlewu jest to około 12 ml w półlitrowej butelce, stanowi to około 2,5% objętości. Poniżej, przedstawiam przykład wyliczenia surowca do refermentacji w oparciu o powyższy kalkulator. Narzędzie podpowiada mi, że mam użyć około 80 gramów glukozy. Mogę też użyć 106 gramów suchego ekstraktu słodowego (DME ang. Dry Malt Extract). Niemal zawsze używam cukru białego/buraczanego/stołowego/kryształ, tego cukru powinienem dodać około 72 gramów. Małe odchylenia będą niezauważalne w wysyceniu. Różnice w ilości surowca podanego przez kalkulator, wynikają ze stopnia fermentowalności. Wysycenie w kegu W przypadku kegów, będę mówił o sztucznym wysyceniu z butli. Wcześniej wspomniałem o prawie Henry’ego. Mówi ono, że rozpuszczalność gazu w cieczy zależy od temperatury oraz ciśnienia. Dodatkowo rozpuszczalność przebiega na pewnym stałym poziomie dla określonej pary gaz-ciecz w określonej temperaturze i ciśnieniu. Na szczęście ktoś to już wyznaczył i policzył oraz zamknął w tabelę. Przy wysyceniu z butli najlepiej użyć gotowca. Najczęściej używam tej tabeli: https://www.kegerators.com/carbonation-table/ Jako, że powyższa tabela jest duża, to w przykładach użyję trochę mniejszej wziętej z [1]. Jak z niej korzystać? Bierzesz temperaturę, w której stoi keg, a w zasadzie temperaturę piwa. Następnie wybierasz poziom wysycenia jaki chcesz uzyskać objętościowo i sprawdzasz odpowiadające temu ciśnienie. Odczytane ciśnienie ustawiasz na reduktorze. Po kilku dniach, keg jest wysycony. Przykład. Keg stoi w kegeratorze lub w piwnicy gdzie jest 10°C. Piwo osiągnęło (lub osiągnie) taką samą temperaturę. Celem jest wysycenie na około 2 vol. To odpowiada ciśnieniu około 12 psi. Przelicznik z psi na bar wynosi 1 psi = 0,0689475729 bar. Zatem 12 psi, to około 0,82 bar. Najczęściej ustawia się nieznacznie większe ciśnienie, aby zniwelować małą utratę CO2 podczas nalewania. Docelowym ciśnieniem, będzie zatem około 0,85 bar. Podaje dwie jednostki, ponieważ reduktory, które można kupić, najczęściej mają ciśnienie podane w barach, ale są również takie ze skalą psi. W przypadku wyszynku piwa z kega w warunkach domowych, rodzi się problem jeżeli wysycasz piwo na mocno odbiegające od siebie wartości. Powiedzmy bittera na 1,8 vol. a pszenicę na 3,5 vol. Blisko dwukrotna różnica. Piwa przy tak dużych różnicach ciśnień, będą trudne w wyszynku z jednej linii. Otwierając kran, gdzie jest ustawione duże ciśnienie, będzie leciało dużo piany. Dlatego w praktyce, idzie się na kompromis i większość piw gazuje się podobnie w granicach 1,8 - 2,2 vol. Wtedy spadek ciśnienia na linii piwnej jest podobny i można ją tak policzyć, by wyszynk był przyjemny. Zamiast kompromisu, można mieć kilka kranów z różnymi długościami linii, dedykowanymi pod ciśnienie. Jednakże, na początku przygody, ze względu na wysoki koszt budowy, najczęściej zaczyna się od jednego kranu i pojedynczego reduktora. Zrównoważona linia to taka, w której do kranu dochodzi ciśnienie około 2 psi ~= 0,14 bar. Wtedy piwo będzie leciało w tempie około 4 półlitrowych szklanek na minutę [1]. Nie będzie się również pieniło i ubytek gazu będzie minimalny. Aby zbudować pianę użyjesz spieniacza w kranie, albo jak profesjonalista lekko obniżysz szklankę, wtedy strumień piwa wytrąci trochę CO2 i powstanie ładna czapa. Wszystkie elementy, przez które przetacza się piwo stanowią opór co za tym idzie, im dalej tym spadek ciśnienia większy. Posilę się tutaj rysunkiem i wzorem z [1]. Peff = PE - PH - PLR Peff powinno wynosić około 2 psi ~= 0,14 bar. PE jest to ciśnienie ustawione na reduktorze i takie panuje w zbiorniku. PH jest to ciśnienie potrzebne, aby piwo podnieść i przepchnąć do kranu. W tym przypadku wynosi to około 2 stóp (około 0,6 metra). PLR jest to ciśnienie wymagane, by przepiąć piwo przez linię piwną. Książka [1], z którą liczyłem swoją linię podaje takie orientacyjne wartości ciśnień: PH - ciśnienie potrzebne by podnieść piwo na wysokość 1 metra wynosi około 3,3 psi ~= 0,23 bar . Nasze krany są najczęściej zawieszone około 0,5 metra nad beczką, zatem obniżą ciśnienie na wyjściu kranu o około 0,1 bar. PLR - ciśnienie potrzebne na przepchanie piwa przez linię. Jest zależnie od zastosowanego przewodu. W Polsce stosujemy najczęściej dwie średnice 3/8’’ oraz 3/16’’. Ciśnienie wymagane przez linię 3/8'’ wynosi 0,33 psi ~=0,023 bar, na każdy metr. W przypadku linii 3/16’’ potrzeba ~7 psi na każdy metr. Książka podaje dodatkowo rzadziej spotykaną linię 1/4'’. W tym przypadku wymagane ciśnienie to 2 psi ~= 0,14 bar na każdy metr. W barach, ze względu na długie linie i montowane antyspieniacze, wybiera się przewody 3/8'’ cala. W domowym wyszynku, lepiej wybrać te o mniejszym przekroju. Najlepiej pokazać to na przykładzie. Reduktor został ustawiony tak, by trzymał ciśnienie 14 psi. Kran jest zawieszony około 0,5 metra ponad kegiem. Ile metrów przewodu potrzeba, aby z kranu leciało piwo a nie sama piana. Musimy zachować 2 psi, by piwo leciało odpowiednio szybko. Zatem zostaje 12 psi. Wysokość jest niewielka i tak zabierze około 1,5 psi. Pozostało 10,5 psi. To, na czym osiągniemy resztę celu to długość przewodu piwnego. Wybieram przewód 3/16’’, bo wymaga większego ciśnienia w przeliczeniu na metr. Potrzebuję 10,5 psi / 7 psi, czyli około 1,5 metra. W praktyce warto kupić przynajmniej metr więcej, sprawdzić i w razie czego dociąć. Dłuższy przewód powinien być użyty w przypadku kraniku typu picnic, który nie ma kompensatora. Kegi to dobra rzecz, zwłaszcza gdy na hobby masz mało czasu, bo przyspieszają rozlew piwa. Zdezynfekowane, mogą długo poczekać na swoją kolej, dlatego warto mieć kilka. Używam kegów typu cornelius/pepsi. Mycie oraz dezynfekcja kega, przy odrobinie wprawy zabiera godzinę, głównie przez czas działania środka myjącego. Jeżeli masz kilka kegów, to myjesz je taśmowo i równolegle, różnica między myciem jednego kega a kilku, to raptem kilkanaście minut. Co kilka wyszynków, wypada keg rozkręcić, umyć, zdezynfekować wszystkie części. Wymienić uszczelki jeżeli tego wymagają. Kegować możesz również, jeżeli nie masz możliwości przechowywania kega w stałej temperaturze. W takim wypadku zamiast kranu, można użyć taniej głowicy i przetaczać piwo do butelek typu PET. Głowica pasuje na gwint butelek po wodzie gazowanej i wygląda tak: https://www.piwo.org/forums/topic/26151-rozlew-z-kega-cornelius-do-butelek-pet-carbonation-cap/. Masz już podstawy teoretyczne jak zacząć wyszynk z kega. Możesz chcesz zacząć jako praktyk? Na naszym forum @darinho napisał obszerny artykuł jak zacząć wyszynk z kegów typu Petainer, przedstawiając zalety i wady. Zainteresuj się również linkami zamieszczonymi na dole opracowania, kierują do wątków traktujących o wyszynku z kegów typu Pepsi/Cornelius. Myślę, że mój artykuł oraz @darinho stanowią dobre uzupełnienie całego procesu. Tym razem na końcu, ale nie mniej ważne. Chciałbym podziękować forumowiczom: Kantor, Oskaliber oraz Undeath za wsparcie wiedzą, poprawki i uwagi w powyższym opracowaniu. Również nie mogę zapomnieć o żonie, która jako pierwsza wprowadziła niezliczoną ilość poprawek stylistycznych. Mam nadzieję, że artykuł przypadł Ci do gustu i dowiedziałeś się czegoś nowego. Już wiesz jak wygląda proces wysycania i diabeł nie jest taki straszny. Prawo Henry’ego jest w naszym hobby obecne wszędzie. Począwszy od roli dwutlenku węgla w budowaniu profilu wody, poprzez zacieranie, napowietrzenie brzeczki, skończywszy na wyszynku. Dziękuję. Jeżeli lubisz taką formę opracowań, to możesz być również zainteresowany innymi artykułami. Znajdziesz je w tym miejscu. Jeżeli widzisz błąd proszę zgłoś go jako wiadomość prywatną, by uniknąć off-topów. Jeżeli błąd wymaga dyskusji nie wahaj się dodać komentarza.