Sprudelwasser ist nicht gleich Sprudelwasser

Autor	Institution
Haensel, Mirjam	Fakultät Bioingenieurwissenschaften, Hochschule Weihenstephan - Triesdorf, Freising
Emmer, D.	Fakultät Bioingenieurwissenschaften, Hochschule Weihenstephan - Triesdorf, Freising
Krutel, M.	Fakultät Bioingenieurwissenschaften, Hochschule Weihenstephan - Triesdorf, Freising
Tippmann, Johannes	Fakultät Bioingenieurwissenschaften, Hochschule Weihenstephan - Triesdorf, Freising

Datum	04. Juni 2021
Ausgabe	2
Jahrgang	89
Seitenzahl	72-75

Trinkwasser muss frei von Krankheitserregern, farblos, trübstofflos und geruchlos sein. In ganz Deutschland liegt Leitungswasser in Trinkwasserqualität vor, das bedeutet, es handelt sich um Süßwasser mit einem hohen Reinheitsgrad, das für den menschlichen Verzehr geeignet ist. Aus diesem Grund greifen mehr und mehr Verbraucher auf den Verzehr von Leitungswasser statt abgefülltem Wasser zurück.

Um Leitungswasser aber dennoch einen zusätzlichen Erfrischungseffekt zu verleihen, werden vermehrt auch sogenannte Wasserspender eingesetzt - Automaten, mit denen das Leitungswasser aufbereitet, gekühlt und karbonisiert werden kann. Bei der Karbonisierung - sei es in Restaurants, Fast-Food-Ketten oder im Heimgebrauch - schmeckt das karbonisierte Wasser, bei identischer Ausstattung des Gerätes, zum Beispiel in Hamburg anders als in München. Gleiches gilt für Postmix-Anlagen, wie sie häufig in der Systemgastronomie anzutreffen sind.

Wasser in Deutschland unterscheidet sich allerdings in seiner Qualität und den Inhaltstoffen, die je nach Region variieren. Je nach Anforderung muss es daher häufig aufbereitet werden. Die Brauereien in Deutschland berücksichtigen das und behandeln das Wasser in den meisten Fällen, um die gewünschte Brauwasserqualität zu erhalten. So besitzt Wasser im Alpenvorland z.B. einen hohen Härtegrad und ist ohne Aufbereitung nur für dunklere Biere geeignet, wohingegen Wasser im Bayerischen Wald und Böhmen eher weich und für helle Biere sowie Biere Pilsner Art geeignet ist. Neben den beschriebenen und weiteren Inhaltsstoffen sind – vermutlich auch dadurch verursacht - Unterschiede im Grad der Karbonisierung festzustellen, also wie viel CO₂ im Wasser gelöst wurde.

An der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf wird derzeit in mehreren Forschungsarbeiten untersucht, wie sich die Parameter Härtegrad, Salzgehalt, Temperatur, pH-Wert, … auf die Löslichkeit von CO₂ in Trinkwasser auswirken. Im ersten Schritt wurde der Einfluss der Wasserhärte bei verschiedenen Karbonatoren analysiert. Dafür wurden Wasserhärte, Temperatur und Karbonisierungsdruck variiert.

Grundlagen

Trinkwasser in Deutschland

Das Trinkwasser in Deutschland setzt sich überwiegend aus Grund- und Oberflächenwasser sowie einem geringen Anteil aus Quellwasser zusammen und muss je nach Qualität und Reinheit aufbereitet und gereinigt werden. Auf dem Weg durch das Gestein oder in Grundwasserleitern kommt es zu Stoffeinträgen ins Wasser. Bei den gelösten Stoffen handelt es sich hauptsächlich um Ionen und gelöste Gase. Zu den anorganischen Stoffen zählen hierbei Kationen wie z.B. Calcium, Magnesium, Eisen und Natrium, sowie Anionen wie z.B. Chlorid, Sulfat und Hydrogencarbonat bzw. Carbonat. Zu den gelösten Gasen zählen u.a. Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff und Stickstoff.

Die chemische Zusammensetzung des Grundwassers ist auch abhängig vom speisenden Wasser, wie z.B. Niederschlag, und auftretenden Wechselwirkungen zwischen Wasser, Feststoff und Gasen. Die Löslichkeit der Stoffe ist dabei stoffabhängig und stellt die Menge dar, die von einer bestimmten Menge Wasser maximal gelöst werden kann. Die Löslichkeit ist von Druck und Temperatur abhängig. Für die Angabe der gelösten Wasserinhaltsstoffe können unterschiedliche Einheiten herangezogen werden. Meist wird die Konzentration in g/l oder mg/l angegeben. Die Wasserhärte wird in mmol/l angegeben und beschreibt die Anzahl der Erdalkalimetalle im Wasser.

Das Grundwasser sickert durch verschiedene Bodenbeschaffenheiten und ist daher in der Zusammensetzung der Salze abhängig von der geologischen und chemischen Beschaffenheit des Bodens. In den Grundwasserleitern, vor allem aus Sedimentgestein wie beispielsweise Kalk, ist Calciumcarbonat (CaCO₃) enthalten. Das gelöste Kohlendioxid im Wasser reagiert mit dem Calciumcarbonat aus dem Gestein und es wird wasserlösliches Calciumhydrogencarbonat gebildet. Das dabei entstehende Gleichgewicht wird als Carbonat-Gleichgewicht bezeichnet:

Die dabei entstehenden Calcium-Ionen bewirken die Wasserhärte. In Gegenden mit einem geringeren Calciumcarbonatanteil im Gestein ist auch der Anteil an gelösten Calcium-Ionen geringer. Dafür ist der Anteil an freiem CO₂ höher.

Die Gesamthärte ist die Summe aller Calcium- und Magnesiumsalze und setzt sich aus der Carbonathärte und der Nichtcarbonathärte zusammen. Die Carbonathärte umfasst die Konzentration von Hydrogencarbonat von Calcium oder Magnesium, also Carbonat- oder Bicarbonat-Ionen. Bei Hydrogencarbonationen handelt es sich um aciditätsvernichtende Ionen, die bei chemischen Reaktionen H⁺-Ionen verbrauchen und dabei CO₂ freisetzen. Calcium- oder Magnesiumverbindungen, die an Anionen wie Sulfate, Chloride oder Nitrate gebunden sind, bilden die Nichtcarbonathärte und sind aciditätsfördernd. Sind die Calcium- und Magnesium-Ionen also z.B. an Sulfate oder Chloride gebunden, können sie nicht an Carbonate gebunden werden und beeinflussen somit die Carbonathärte nicht. 

Abhängig von der Gesamthärte beziehungsweise der Anteile von Carbonathärte und Nichtcarbonathärte kann Wasser je nach Region unterschieden werden. In München liegen fast nur Carbonate vor, in Dortmund wird die Nichtcabonathärte ganz entscheidend durch die Anwesenheit von Sulfat-Ionen bestimmt, obwohl auch hier Carbonat-Ionen vorliegen. 

Löslichkeit von Stoffen in Wasser (Frank Wisotzky, Nils Cremer, & Stephan Lenk, 2018) (Narziss, 2017) (Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR), kein Datum)

Im Wasser können Stoffe in verschiedenen Aggregatzuständen gelöst werden. Feststoffe, die mit Wasser reagieren wie z.B. Ionen, oder Feststoffe, die nicht mit dem Wasser reagieren. Die Löslichkeit von Ionen findet im chemischen Gleichgewicht statt und ist von Druck, Temperatur und anderen bereits gelösten Ionen abhängig.

Ebenso ist dies bei der Löslichkeit von Gasen der Fall. Es handelt sich um ein physikalisches Gleichgewicht, welches vor allem durch die Temperatur und den Druck bestimmt wird. Je niedriger die Temperatur einer Flüssigkeit, desto besser lösen sich Gase, ebenso wenn der Partialdruck über der Flüssigkeit höher ist. Dabei nimmt die Löslichkeit von Kohlenstoffdioxid eine besondere Rolle ein. 

Die Löslichkeit von Gasen in einer Flüssigkeit wird durch das Henry'sche-Gesetz beschrieben. Dieses besagt, dass der Partialdruck (p_i) eines Gases bei gleichbleibender Temperatur direkt proportional zur Konzentration (Löslichkeit) des Gases in der Flüssigkeit (c_i) ist. Proportionalitätsfaktor ist die stoffspezifische Henry-Konstante (K_H). 

 

mit: c_i (aq) in mol/l und p_i (g) in atm; K_H = HENRY-Konstante in mol/l·bar

Bei gleichem Partialdruck ist die CO₂-Konzentration in Wasser ca. 50mal höher als die von Sauerstoff, Rammert hat hierzu ausführliche Untersuchungen durchgeführt (Rammert, 1993).

Die wesentlichen Reaktionen in Gewässern werden über das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht beschrieben. Dies beschreibt das Gleichgewicht zwischen der Konzentration von Hydrogencarbonat (HCO_3-), Carbonat-Ionen (CO₃^2-) und freiem Kohlendioxid (CO₂), beziehungsweise der Kohlensäure (H₂CO₃).

Eine häufige Darstellung des Kalk-Kohlensäure-Gleichgewichts ist daher der relative Anteil der Kohlensäureformen in Abhängigkeit des pH-Wertes. Der gebundenen Kohlensäure H₂CO₃ mit HCO₃^- und CO₃^2- ist eine bestimmte Menge freies CO₂ zugehörig (zugehöriges Kohlendioxid). Die Menge des freien "zugehörigen" Kohlendioxids ist dabei stark vom pH-Wert abhängig. Die wirkliche Kohlensäure liegt bei sauren Getränken nur in einem Bereich von 2% anteilig vor. 

Grundwasser hat häufig einen pH-Wert zwischen 4,3 und 8,2. Die Trinkwasserverordnung gibt für Trinkwasser einen pH-Wert von 6,5 bis 9,5 vor. Damit treten im Trinkwasser meist freies CO₂ und Hydrogencarbonat-Ionen (HCO₃^-) auf (vgl. Abbildung 1).

Bei Grundwasser wird hauptsächlich von der Calcitlösekapazität gesprochen. Ist in den Grundwasserleitern Calcit (Kalkstein, CaCO₃) vorhanden, erhöht sich der Anteil des in Hydrogencarbonat-Ionen und Carbonat-Ionen gebundenen CO₂ durch die Reaktion des überschüssigen Kohlendioxids mit den Carbonatmineralien. Dabei werden Calcium- und Hydrogencarbonationen gebildet und der pH-Wert steigt an. Ist, wie beim Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht, der Gehalt an freiem Kohlendioxid gleich dem der zugehörigen Kohlensäure, befindet sich das Wasser im Zustand der Calcitsättigung. Das bedeutet, dass es bei Kontakt mit Calcit weder zur Auflösung noch zur Abscheidung von Calciumcarbonat kommt. Ist überschüssiges Kohlendioxid vorhanden, kommt es zur Lösung von Calcit und der pH-Wert sinkt. 

Karbonisierung

Bei der Karbonisierung werden sich die Löslichkeitseigenschaften des CO₂ zu Nutze gemacht und entsprechend der Anforderungen an das Getränk der CO₂-Gehalt über Temperatur und Druck eingestellt. Dementsprechend gilt: je höher die Temperatur, desto weniger CO₂ kann im Wasser gelöst werden bzw. desto höher muss der Druck sein, mit dem das CO₂ im Karbonator dem Wasser beigemischt wird. Wie oben bereits beschrieben, sind die CO₂-Moleküle als freies CO₂ im Wasser gelöst, vorausgesetzt, sie werden aufgrund der Inhaltsstoffe nicht abgebunden.

Steigt nach der Karbonisierung die Temperatur oder sinkt der Druck, geht das zuvor gelöste, freie CO₂ aufgrund der geringeren Absorptionsfähigkeit wieder aus der Flüssigkeit in die Gasphase über. Infolge dessen sinkt die Konzentration der „Kohlensäure“ im Wasser.

Durch die Karbonisierung von Wasser erhöht sich also in der Regel der Anteil an frei gelöstem CO₂ stark und der pH-Wert verschiebt sich in das saure Milieu. Aciditätsvernichtende Inhaltsstoffe verhindern diesen Weg, weshalb vermutlich hier, bei gleicher CO₂-Zugabe, weniger freies CO₂ vorliegen dürfte.

Eine ausführliche Untersuchung führte, wie bereits oben kurz erwähnt, Rammert in seiner Dissertation durch, und konnte darin eine ausführliche Formel für die Berechnung des Absorptionskoeffizienten (Henry-Konstante) erstellen. Die Sättigungsisothermen nach Rammert für ein beispielhaftes Wasser sind in Abbildung 2 dargestellt.

Karbonatoren

Karbonatoren sind Geräte, in denen mit den oben beschriebenen, chemisch-physikalischen Grundlagen CO₂ in Flüssigkeiten, vornehmlich Wasser, gelöst wird. Es können verschiedene Karbonator-Arten unterschieden werden, welche meistens auch unterschiedliche Lösungsergebnisse produzieren. Die einfachste Art eines Karbonators ist z.B. der Stoßkarbonator „SodaStream“, bei dem mittels einer Düse CO₂ von oben in kaltes Wasser verdüst wird. Stoßkarbonatoren sind aber auch als Kessel- bzw. Durchlaufkarbonatoren zu finden, also solchen Geräten, bei denen durch einen Wasseranschluss kontinuierlich Wasser in den Mischbehälter eingebracht und durch einen Auslauf, nach Karbonisierung, entnommen wird.

Um die Lösungsgeschwindigkeit des CO₂ zu erhöhen, werden auch Techniken wie z.B. Venturi-Düse oder Raschig-Ringe verwendet. Um die Löslichkeitseffizienz zu steigern, sind teilweise Beruhigungs- oder Lösestrecken nach dem Karbonator verbaut.

Karbonatoren werden kalt und warm betrieben.

Das Zapfen von Getränken

Es ist lange bekannt, dass durch das Zapfen von Getränken CO₂ verloren geht. Die Ursache liegt dabei in den, in der Leitung und am Hahn vorliegenden Strömungsverhältnissen, wie sie hier (Tippmann, 2019) z.B. beschrieben sind. Dadurch sind CO₂-Verluste von weit über einem Gramm pro Liter möglich. Bei Wasser- und Postmix-Anlagen sind häufig hohe Fließgeschwindigkeiten eingestellt, welche den CO₂-Verlust zusätzlich fördern.

Material und Methoden

Für die Untersuchung des Erfolges einer Karbonisierung sollte Wasser mit unterschiedlichen Härtegraden eingesetzt werden. Dafür wurde Freisinger Stadtwasser in verschiedenen Anteilen mit Brauwasser vermischt. Das Brauwasser wird mit einer Umkehrosmoseanlage vollentsalzt und anschließend bis zu einem Härtegrad von 3 bis 4 °dH mit Freisinger Stadtwasser vermengt. 

Tabelle 1: Übersicht über die Wasserzusammensetzungen der Versuchswässer

Probenummer	1	2	3	4	5
Anteil Freisinger Stadtwasser in %	100	67	50	33	0
Anteil Brauwasser in %	0	33	50	67	100
Härtegrad in °dH	17,0	12,7	10,6	8,4	4,1

 

Die Karbonisierung erfolgte bei zwei Temperatureinstellungen (5 und 10 °C) und drei verschiedenen Drücken (3, 4 und 5 bar). Bei dem eingesetzten Karbonator handelte es sich um einen Kesselkarbonator mit Druckerhöhungspumpe.

Für die Bestimmung des CO₂-Gehalts wurde ein Glas mit einem Volumen von 0,5 l befüllt, dieses in eine Messapparatur gegeben (vgl. Abbildung 3) und der CO₂-Gehalt mittels eines Haffmans CO₂-Gehaltemeters bestimmt. Das Glas wird für diese Analyse in die Messapparatur (1) eingespannt (4) und anschließend mit einem geringen CO₂-Druck über die Leitung (2) vom Glas durch die Leitung 3 in das CO₂-Messgerät überführt.

Ergebnisse

Druckabhängigkeit

Abbildung 4 zeigt die Unterschiede im CO₂-Gehalt der untersuchten Versuchswässer, die aus dem Druckunterschied resultieren. Das Wasser, das mit einem Betriebsdruck von 3 bar karbonisiert wurde, hat einen etwas geringeren CO₂-Gehalt als die Wässer, die mit 4 und 5 bar behandelt wurden. Die Differenz im CO₂-Gehalt der Versuchswässer zwischen 3 und 4 bar ist dabei größer als zwischen 4 und 5 bar, was nicht der linearen Erwartung nach dem Henry-Gesetz entspricht. Diese Werte können vermutlich auf einen Gas-Verlust durch Zapfen zurückzuführen sein (vgl. Das Zapfen von Getränken), oder auf eine nicht ausreichende Lösung bei höherem Druck. Um dies genauer einzugrenzen, sind Untersuchungen mit dem direkt angeschlossenen CO₂-Messgerät am Auslaufhahn notwendig.

Temperaturabhängigkeit

Der Einfluss der Temperatur auf den CO₂-Gehalt der Versuchswässer ist signifikant und wird in Abbildung 5 dargestellt. Ebenso wie beim Druck werden hier die gängigen Theorien der Literatur bestätig.

Bei weicherem Wasser ist der Unterschied des CO₂-Gehaltes bei unterschiedlichen Karbonisierungstemperaturen geringer (etwa 0,30 bis 0,45 g/l) als bei dem härteren Wasser mit einer Härte von 17,0 °dH. Hier ist der Unterschied mit 0,75 bis 0,80 g/l signifikant größer.

Einfluss der Wasserhärte

Neben den Einflüssen des Druckes und der Temperatur zeigen Abbildung 4 und Abbildung 5 sehr deutlich den Einfluss der Wasserhärte. Die Kurven zeigen mit zunehmender Wasserhärte alle einen ähnlichen Verlauf, welcher bis ca. 10°dH steigend und anschließend nahezu stagnierend ist. Die Wasserhärte hat folglich einen großen Einfluss auf den Karbonisierungserfolg.

Zusammenfassung und Ausblick

Die durchgeführten Untersuchungen haben die Erwartungen hinsichtlich Druck und Temperatur erfüllt. Beim CO₂-Gehalt abhängig von der Wasserhärte wurden neue Erkenntnisse gewonnen. Diese können einen ersten Erklärungsansatz für die unterschiedliche sensorische Beurteilung von Wässern aus gleichen Karbonatoren darstellten. In weiterführenden Arbeiten werden weitere Wasserinhaltsstoffe sowie der pH-Wert intensiver untersucht.

Danksagung

Die Autoren bedanken sich bei Michael Mayer von der Firma MISA Vertriebs-GmbH, Anzing, für die Unterstützung dieser Arbeit mit den Karbonatoren.

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