Wasser – ein wertvoller Rohstoff im Wandel

Brunnenmonitoring | Eine zuverlässige Wasserversorgung ist eine Grundvoraussetzung für die Herstellung qualitativ hochwertiger Biere. In Zeiten klimatischer Veränderungen ist diese vielerorts nicht mehr selbstverständlich. Um die perspektivischen Auswirkungen dieser Veränderungen auf das Brunnenmonitoring und die Wasseraufbereitung unter Berücksichtigung der technologischen Aspekte in der Brauerei verstehen zu können, ist eine Betrachtung der historischen Entwicklung unabdingbar.

In den letzten Jahrzehnten wurde die qualitative und quantitative Konstanz der Wasserversorgung in vielen Betrieben in Deutschland als Selbstverständlichkeit wahrgenommen. Die Auswirkungen klimatischer Veränderungen sind jedoch mittlerweile weltweit zu beobachten. In Mitteleuropa und damit auch in Deutschland ist ein Anstieg der jährlichen Durchschnittstemperatur zu verzeichnen. Weiter lassen sich längere Trockenperioden, stärkere Niederschlagsereignisse und in der Folge eine Beeinflussung des Wasserkreislaufs (vgl. Abb. 1) beobachten [2]. Die genannten Phänomene beeinflussen die Grundwasserneubildung und damit die allgemeine Wasserverfügbarkeit. Unternehmen sind mittlerweile aus ökologischen und betriebswirtschaftlichen Gründen – unabhängig von öffentlicher oder eigenständiger Versorgung – zu einer effizienteren Nutzung der Ressource Wasser gezwungen.

Wasserbedarf in der Brauerei

Bier mit einem Stammwürzegehalt von zwölf Prozent besteht zu 90 - 92 Prozent aus Wasser. Weitere Bestandteile sind Alkohol, Extrakt und Kohlenstoffdioxid [3]. Damit macht Wasser den Hauptbestandteil des fertigen Bieres aus. Im Brauereibetrieb kommt Wasser jedoch nicht ausschließlich als Brauwasser zum Einsatz. Die Nutzung ist wesentlich vielfältiger, sodass es beispielsweise zum Reinigen, Kühlen, Pasteurisieren oder auch zur innerbetrieblichen Trinkwasserversorgung benötigt wird. Zur Beurteilung der Effizienz eines Betriebes in diesem Bereich kann der Wasserverbrauch pro produziertem Liter Verkaufsbier herangezogen werden. Lag der durchschnittliche Verbrauch im Jahr 2001 noch bei drei Litern Wasser pro Liter Verkaufsbier (ohne Berücksichtigung der Kühlung), kann dieser in modernen Brauereien heute durchaus niedriger liegen [4].

Gewährleistung der Wasserqualität

Den genannten Einsatzzwecken in der Brauerei folgend muss das Wasser definierte Qualitäten aufweisen. Für die Wasserversorgung in einer Brauerei stehen in der Regel drei Möglichkeiten zur Verfügung. Entweder erfolgt sie durch einen öffentlichen Wasserversorger, durch einen betriebseigenen Brunnen oder durch eine Kombination aus beidem.

Bei Nutzung der öffentlichen Trinkwasserversorgung liegt die Einhaltung der Anforderungen der Trinkwasserverordnung (TrinkwV) am Übergabepunkt zum Betrieb in der Verantwortung des Versorgers. Es empfiehlt sich jedoch eine regelmäßige Überprüfung der chemischen und biologischen Wasserbeschaffenheit bezüglich der Parameter, die sich im betriebseigenen Verteilungsnetz verändern können. Im Falle der Nutzung eines eigenen Brunnens liegt die Verantwortung für die Wasserqualität hingegen beim Betreiber, sodass die Einhaltung der Parameter gemäß TrinkwV von diesem sicherzustellen ist.

Neben der chemisch-technischen und mikrobiologischen Beschaffenheit des geförderten Wassers sind auch anthropogene Einflüsse auf den Brunnen zu berücksichtigen. Dabei handelt es sich um Stoffgruppen, die die Reinheit des Wassers gefährden könnten. So konnten in Oberflächenwässern, aber auch in manchen Wässern aus tieferen Schichten, Pflanzenschutzmittelrückstände und deren Metaboliten, Medikamentenrückstände, Düngemittelrückstände aus der Landwirtschaft (z. B. Nitrat) oder auch Reinigungs- und Desinfektionsmittelrückstände nachgewiesen werden [5]. Die gemäß TrinkwV geforderten Untersuchungen sind von akkreditierten Prüfinstituten durchzuführen, Auffälligkeiten den Behörden zu melden. Die regelmäßigen, gesetzlich vorgeschriebenen Routineüberwachungen dieser Qualitätsparameter sind Bestandteil eines wirksamen Brunnenmonitorings.

Überwachung der Brunnenleistung

Neben der Überwachung der genannten Qualitätsparameter sollte das Brunnenmonitoring um eine Leistungsüberwachung des Brunnens ergänzt werden. Auf diese Weise können ein Abfall der Brunnenleistung frühzeitig erkannt und entsprechende Korrekturmaßnahmen eingeleitet werden. Die Beeinträchtigung der Förderleistung kann in der Praxis verschiedene Ursachen haben. Eine Möglichkeit ist die Verockerung von Pumpen, Steigleitungen oder Filterrohren. Dabei handelt es sich u. a. um Ablagerungen durch Ausfällung von Eisenhydroxiden oder Mangan(IV)-oxid. In der Folge steigen die Strömungswiderstände und die Brunnenleistung fällt ab. Aber auch die Versandung von Filterschlitzen oder Filterkies, die Korrosion von Stahlbauteilen oder eine Verschleimung mit biologischem Ursprung können ähnliche Folgen mit sich bringen. In der betrieblichen Praxis liegt die Ursache häufig in einer Kombination dieser verschiedenen Ursachen, die einen Leistungsabfall des Brunnens begründen [6].

Zur Leistungsüberwachung eines Brunnens sollten neben der Förderleistung auch der Ruhe- und Betriebswasserspiegel beobachtet werden (vgl. Abb. 2). Außerdem kann die Zeit bis zur Einstellung des Ruhewasserspiegels nach Förderung Aufschluss über den Zustand des Brunnens geben. Spezialisierte Hydrogeologen können bei der Implementierung eines geeigneten Brunnenmonitorings unterstützen, um eine gleichbleibende Wasserverfügbarkeit für den Betrieb zu gewährleisten.

Einfluss des  Wassers auf Biertyp und Bierqualität

Die Charakteristik eines Wassers hat entscheidenden Einfluss auf die Bierbereitung. In früheren Zeiten bestimmte die lokale Wasserbeschaffenheit die Möglichkeiten der herzustellenden Biertypen in einer Region. Das weiche Wasser der Stadt Pilsen, Tschechische Republik, mit seiner geringen Restalkalität eignete sich beispielsweise hervorragend für die Herstellung feiner, schlanker Biere nach Pilsener Brauart. Das mäßig harte Wasser der Stadt München mit seiner hohen Restalkalität war dieserorts hingegen Wegbereiter für die Entwicklung der typischen dunklen Biere [3]. Diese Beispiele zeigen den entscheidenden Einfluss der regionalen mineralischen Wasserkomposition auf die Entwicklungen des örtlichen Biertyps. Um diesen regionalen Einfluss nachvollziehen zu können, erscheint eine Charakterisierung des Wassers sinnvoll. Wasser lässt sich zunächst über die Wasserhärte charakterisieren. Zur verständlicheren Beschreibung wird die Wasserhärte in die Gesamt-, die Carbonat- und die Nichtcarbonathärte aufgeteilt. Sowohl Gesamthärte als auch das Verhältnis von Carbonat- zu Nichtcarbonathärte ist vorrangig vom geologischen Untergrundaufbau abhängig. Neben der Wasserhärte hat aber vor allem die Restalkalität nach Kolbach (RA) entscheidenden Einfluss auf die brauspezifischen Eigenschaften eines Wassers. Sie beschreibt den Einfluss aciditätsvernichtender Hydrogencarbonat-Ionen auf den pH-Wert der Maische bzw. Würze auf der einen gegenüber dem Einfluss aciditätsfördernder Erdalkali-Ionen auf der anderen Seite.

Eine Restalkalität von 0 °dH beeinflusst den pH-Wert der Maische bzw. Würze folglich nicht, eine Restalkalität von 10 °dH würde diesen um 0,3 anheben, eine Rest­alkalität von – 10 °dH um 0,3 absenken [7]. Diese Beeinflussung ist wichtig, da der pH-Wert von Maische und Würze großen Einfluss auf die Sudhausarbeit hat. Ein zu hoher pH-Wert etwa bewirkt ein zu starkes Auslaugen unedler Bestandteile aus den Spelzen während des Maischens und Läuterns, was dem Geschmack des Bieres in der Folge eine kratzige und breite Note verleihen kann. Außerdem ist die Koagulation des Eiweißes während des Würzekochens abhängig vom pH-Wert. Bei höheren pH-Werten fallen weniger Eiweiße aus. Die enzymatischen Lösungsvorgänge während der Maischearbeit unterliegen neben einer Temperatur- auch einer pH-Wert-Abhängigkeit. Die Temperaturabhängigkeit der Enzymwirkung wird während des Maischens mit dem Einhalten verschiedener Temperaturrasten berücksichtigt. Eine ungenügende Berücksichtigung der pH-Wert-Abhängigkeit der proteolytischen, amylolytischen und cytolytischen Enzyme kann jedoch beispielsweise eine negative Beeinflussung des Endvergärungsgrades, der Schaumhaltbarkeit, der Aminosäureversorgung der Hefe während der Gärung oder eine Erhöhung der Viskosität mit sich bringen [3,7].

Neben den erläuterten technologischen Einflüssen der Wasserbeschaffenheit ist auch der potenziell negative Einfluss auf die Reinheit des Bieres zu berücksichtigen. In vielen Brauereien und Zulieferbetrieben ist ein wirksames Schadstoffmonitoring bereits fest in der Qualitätssicherung etabliert. In diesem Programm sollte der Rohstoff Wasser genauso wie die Rohstoffe Malz und Hopfen berücksichtigt werden. Die potenziellen Gefahren anthropogener Einflüsse sind in der TrinkwV noch nicht vollumfassend abgebildet. Erfahrungen aus der Vergangenheit, gepaart mit einem gesteigerten Verbraucherinteresse, werden den Schadstoffeinfluss auf die Reinheit des Bieres jedoch voraussichtlich zu einem zentralen Zukunftsthema der Branche machen.

Möglichkeiten der Wasseraufbereitung

Um diese negativen Einflüsse zu hoher Wasserhärten, Restalkalitäten oder anthropogener Einflüsse auf die Bierqualität zu minimieren, kommen heute modernste Wasseraufbereitungsanlagen zum Einsatz. Mit diesen Anlagen können jegliche Wässer in die gewünschte Zusammensetzung überführt werden, sodass der Standort keinen Einfluss mehr auf das mögliche Portfolio einer Brauerei hat.

Für die Wahl einer passenden Aufbereitung müssen zunächst die qualitätsbestimmenden Parameter des geförderten Rohwassers und deren zeitliche Schwankungsbreiten bekannt sein. Des Weiteren müssen die angestrebten Eigenschaften des aufbereiteten Wassers gemäß den vorgesehenen Anwendungsbereichen definiert werden.

Für die definierte Veränderung der Mineralisation können sogenannte Ionenaustauscher verwendet werden. Mit diesen können bestimmte Ionen selektiv ausgetauscht werden. Zur Wasseraufbereitung in der Brauerei wurden in den vergangenen Jahrzehnten aus dieser Kategorie klassischerweise schwach saure Kationenaustauscher eingesetzt. Mit diesem Verfahren lassen sich die Härte sowie das Magnesium-/Calciumverhältnis eines Wassers einstellen. Nachteilig bei diesem Verfahren ist die regelmäßig notwendige Regeneration der Anlagen unter Chemikalieneinsatz. Für die Regeneration eines solchen Austauschers in der Brauerei kommen in der Regel Salz- oder Schwefelsäure zum Einsatz – ein laufender Kostenfaktor, der auch unter ökologischen Gesichtspunkten nicht optimal zu sein scheint.

In den letzten Jahren haben sich im Bereich der Brauwasseraufbereitung verstärkt sogenannte Membranverfahren durchgesetzt. Physikalische Grundlage bildet dabei die Filtration. Diese Verfahren arbeiten weniger selektiv, da es zu einer Abtrennung aller Stoffe über der definierten Trenngrenze kommt. Es kommt also gleichermaßen zu einer Abtrennung von Ionen, Spurenstoffen, Partikeln und Mikroorganismen. Der Filtrationsprozess lässt sich über die Wahl von Porengröße, Filtermaterial und Formgebung der Membran steuern.

In der Praxis können mehrstufige Membrananlagen zum Einsatz kommen. In einer ersten Stufe (z. B. Mikro-/Ultra-/Nanofiltration) können Partikel oder Mikroorganismen abgeschieden werden, um eine gleichbleibende Wasserqualität für die Folgestufe bereitzustellen. Durch eine nachgeschaltete Umkehrosmose wird das Wasser zunächst nahezu vollentsalzt. Für den brauspezifischen Einsatz ist in der Folge ein Rückverschnitt mit Rohwasser in einem definierten Verhältnis notwendig [8]. Auf diese Weise können mögliche Kontaminanten entfernt und die geforderten Wasserqualitäten generiert werden, um die Wassereigenschaften optimal an die Prozesse in der Brauerei anpassen zu können. Um auf die gesteigerte Relevanz gefährdender Stoffgruppen künftig reagieren zu können, werden die Anwendungsmöglichkeiten eines Membranverfahrens voraussichtlich an Bedeutung gewinnen.

Zusammenfassung

Klimatische Veränderungen und anthropogene Einflüsse können die Wasserverfügbarkeit und -qualität beeinflussen. Daher ist eine nachhaltige Nutzung der Ressource Wasser in der Brauwirtschaft unabdingbar. Für die Überwachung der Ergiebigkeit und der Qualitätsparameter eines betriebseigenen Brunnens ist die Implementierung eines wirksamen Brunnenmonitorings zu empfehlen, um Abweichungen von Brunnenleistung oder Wasserqualität frühzeitig erkennen und eine adäquate Reaktion einleiten zu können.

Standortabhängige Einflüsse der mineralischen Wasserzusammensetzung auf die Möglichkeiten der Herstellung verschiedener Bierstile wie in vergangenen Zeiten sind nicht mehr von Relevanz. Die brautechnologischen Eigenschaften des eingesetzten Wassers können heute durch den Einsatz einer geeigneten Wasseraufbereitungsanlage positiv beeinflusst werden. In der nahen Zukunft werden neben den brautechnologischen Eigenschaften sicherlich auch verstärkt die Aspekte der anthropogenen Verunreinigungen des Brauwassers eine Rolle spielen, nicht zuletzt in der Verbrauchererwartung.

Literatur

1. o.V.: „Klimawandel im Süden Deutschlands – Herausforderungen – Anpassungen“, Hrsg. LUBW Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg, Mai 2017.
2. o.V.: „Monitoringbericht 2019 zur Deutschen Anpassungsstrategie an den Klimawandel“, Hrsg. Umweltbundesamt, November 2019.
3. Narziß, L.; Back W.; Gastl, M.; Zarnkow, M.: „Abriss der Bierbrauerei“, 8. Auflage, Wiley-VCH Verlag, 2017, S. 361.
4. Gierig, M. et al.: „Spektrum Wasser 2 – Grundwasser, der unsichtbare Schatz“, Hrsg. Bayerisches Landesamt für Wasserwirtschaft, März 2001.
5. Münstermann, D.: „Risiken für die Wasserversorgung“, BRAUWELT Nr. 11-12, 2015, S. 320-322.
6. Gartiser, A.: „Bohrbrunnen – Hydrogeologische und technische Zustandsfeststellungen“, Praxisseminar Mineralbrunnen, Institut Romeis Bad Kissingen GmbH, 2017.
7. Focke, K. et al.: „Brauwasser und seine Bedeutung für die Bierproduktion“, BRAUWELT Nr. 34-35, 2006, S. 1017-1020.
8. Hackmann, B.: „Filtriert und aufbereitet – Ultrafiltration und Umkehrosmose für neues Sudhaus in Tunesien“, Brauindustrie 7, 2019, S. 12-14.