Metaalkunde voor thuisbrouwers

METAALKUNDE VOOR THUISBROUWERS

Elke thuisbrouwer komt in aanraking met keuze van apparatuur, als ze het zelf maken of als ze het in een winkel kopen. De beslissing wordt meestal genomen op basis van prijs, uitvoering en te verwachten onderhoud. Er zijn brouwers die denken “Hoe eenvoudiger hoe beter”. Anderen denken “Hoe goedkoper hoe beter”. Maar er zijn er ook een aantal die zeggen “Ik wil alleen het allerbeste”. Maar wat is goed? Hoe kun je beslissen? Allereerst moet je een basiskennis hebben van de beschikbare materialen en dan kun je bepalen wat de sterke en zwakke punten zijn van de materialen voor de apparatuur.

Corrosie

Alle corrosie is galvanisch (dat wil zeggen elektrische stromen die ontstaan als twee metalen in contact komen met een elektrolyt). Hoewel dit wat overdreven is kan het helpen om uit te leggen hoe en waarom corrosie ontstaat. Het elektrochemische verschil tussen twee tegen elkaar liggende metalen vormt een batterij. Als er dan een elektrolyt aanwezig is, zoals water of bier, zal er een elektrisch stroompje gaan lopen en de meest actieve van de twee metalen zal ioniseren. Deze metaal-ionen zullen samengaan met zuurstof om oxide of andere corrosieproducten te vormen. Corrosie kan dus ook ontstaan tussen twee stukken van hetzelfde metaal als er vuil, een chemische stof of een kras aanwezig is waardoor het lijkt alsof de twee delen verschillend van elkaar zijn.

Het oppervlak van de twee metalen is ook van invloed op de mate van corrosie. Als het meer passieve metaal een groter oppervlak heeft dan het actieve metaal zal de corrosie van het actieve metaal toenemen (en omgekeerd). Alle metalen zijn elektrochemisch verschillend van elkaar van heel actief (b.v. magnesium, zink, aluminium) tot zeer passief (b.v. titanium, goud). Het meer actieve deel zal meer corroderen dan het meer passieve deel. Deze eigenschap wordt dikwijls gebruikt voor corrosiebescherming. Anodische bescherming gebeurt door een actief metaal (b.v. zink) te koppelen aan een meer passief metaal (b.v. staal). Het zink zal corroderen in plaats van het staal. Het probleem met anodische bescherming in de brouwerij is dat het actieve metaal vastzit aan de omgeving (in dit geval ons bier).

Kathodische bescherming gebeurt als een meer passief metaal wordt omgeven door een meer actief, zoals goud op een stalen deel. Het probleem met kathodische bescherming is dat een breuk in de bekleding er voor zorgt dat het meer actieve metaal dat er onder zit snel zal corroderen. Nikkel en chroom worden dikwijls gebruikt op bronzen producten om het koper te beschermen tegen corrosie en het zorgt tevens voor een mooi uiterlijk. Brons, koper, roestvaststaal en zilversoldeer liggen, galvanisch gezien, dicht bij elkaar zodat er niet veel onderlinge corrosie zal ontstaan.

Metalen kunnen ook beschermd worden tegen corrosie door een oxide(roest)film. De effectiviteit van de oxide varieert en is geen garantie tegen corrosie. Sommige oxides zijn zeer passief en voorkomen bijna alle corrosie, zoals chroomoxide het roestvaststaal beschermt. Andere oxides zijn meer reactief , zoals rode roest en hittevlekken op roestvaststaal en voorkomen geen verdere corrosie.

Roestvaststaal wordt “gepassiveerd” genoemd als de beschermende chroomoxide laag niet stuk is. Wordt de oxidelaag stuk gemaakt door ijzer (door een staalborstel of door boren) of opgelost door een chemische actie (zoals bleekwater) of aangetast door hitte (solderen of lassen) zal het gaan roesten. Het probleem van corrosie van roestvaststaal is meestal geen smaakafwijking, maar vooral aantasting van een duur stuk materiaal. De meeste andere oxides zitten er ergens tussen in en kunnen worden gebruikt om het metaal te beschermen tegen een bepaalde omgeving. De oxides van koper, brons en aluminium vallen in die categorie. Brons en koper ontwikkelen op de duur een stabiele oxidelaag die bestand is tegen corrosie door wort, maar door het metaal glimmend te poetsen verdwijnt de passieve film. Om de passieve film op aluminium, koper en brons te handhaven,  maak het dan meteen schoon, droog het goed af en zet het dan (droog) gedurende 10 minuten in een oven met een temperatuur van 177 °C. Hierdoor wordt de oxidelaag weer wat dikker. De passieve oxidelaag die corrosie voorkomt is ook van invloed bij het samensmelten van metaal en moet worden verwijderd voor het solderen of lassen.

Aluminium

Aluminium is gemakkelijk te vervormen, machinaal te bewerken en kan worden gelast met de juiste apparatuur. De thermische geleidbaarheid van aluminium is goed, maar toch maar de helft van koper. De aluminiumlegeringen die gewoonlijk gebruikt worden om te koken zijn legering 3003 en 3004 en hebben een goede weerstand tegen corrosie. Onder normale brouwomstandigheden zal aluminium niet corroderen en geeft het geen enkele metaalsmaak aan je bier. Je mag het metaal niet flink poetsen na gebruik anders krijg je een verhoogde kans op een metaalsmaak. Aluminium zal corroderen als het in aanraking komt met een ander metaal, zoals koper in wort of bier, maar de contacttijd tijdens je brouwdag is zo kort dat het geen probleem geeft. Aluminium en koper/brons mogen niet samen gebruikt worden om je bier voor langere tijd op te slaan. Reukloos afwasmiddel wordt aanbevolen voor algemene schoonmaak. Gebruik geen bleekmiddel of een bijtend middel want dat veroorzaakt putjes in het oppervlak.

Koper

Koper heeft de beste warmtegeleiding, is gemakkelijk te vervormen en werd vroeger al gebruikt voor het maken van brouwketels. Koper kan gesoldeerd worden en gelast met de juiste apparatuur. Hardsolderen is meestal voldoende voor brouwapparatuur. Koper is tamelijk inert voor zowel wort als bier. Bij regelmatig gebruik zal het een stevige oxidelaag opbouwen (doffe koperkleur) waardoor het beschermd wordt tegen verdere aantasting door het wort. Alleen minimaal schoonmaken om het oppervlakkige vuil, hopresten en eiwitten te verwijderen. Het is niet nodig het koper blinkend te poetsen na elk gebruik of voor dat het in contact komt met je wort. Het is beter dat je er een doffe laag op laat zitten. Hoewel je er voor op moet passen dat het koper geen giftige blauw-groene oxidelaag krijgt. Deze blauw-groene laag bevat verschillende stoffen (koperacetaat, kopersulfaat, koperchloride, enz. ) die niet in contact mogen komen met je bier of ander voedsel, want ze zijn gemakkelijk oplosbaar en kunnen leiden tot kopervergiftiging. Om zeer sterke oxidatie te verwijderen gebruik dan azijn of een ander op zuur gebaseerd schoonmaakmiddel.

Voor het normale schoonmaken van koper en brons kun je het beste een reukloos afwasmiddel gebruiken. Schoonmaakmiddelen met bleekwater en waterstofperoxide veroorzaken snel aantasting van het materiaal en beschermen niet tegen verdere corrosie.

Koperen koelspiralen mogen niet opgeslagen worden als ze vol zitten met ontsmettingsmiddel of met water. Een beetje biologische vervuiling kan leiden tot corrosie. Koper moet goed worden afgespoeld met schoon water en de kans krijgen om uit te druppelen voordat het opgeslagen wordt.

Brons

Brons is een legering van koper en zink met wat lood erbij voor een gemakkelijke bewerking. Het loodpercentage varieert, maar voor legeringen die gebruikt worden in koppelingen, e.d. is het 3% of minder. Dit lood kan worden opgelost door het wort. Hoewel dit hele kleine beetje niet schadelijk is voor de gezondheid, zouden de meeste brouwers er blij mee zijn als het er niet inzat. Brons kan goed worden gesoldeerd aan koper en roestvaststaal. De thermische geleiding van brons is hetzelfde als voor aluminium, maar de corrosie-bestendigheid is gelijk aan die van koper. De reden dat bronzen fittingen niet in een commerciële brouwerij worden gebruikt is dat de chemicaliën van een CIP-systeem (Cleaning In Place) te corrosief zijn voor koper en brons. Als amateurbrouwers gebruiken we niet zulke agressieve middelen, dus komt corrosie bijna niet voor.

Roestvaststaal

Roestvaststaal is een ijzerlegering met chroom en nikkel. De meest gebruikte soort roestvaststaal in de levensmiddelen- en drankenindustrie is de 300-serie en bevat 18% chroom en 8% nikkel. De meest gebruikte soorten zijn AISI 304 en 316, die zeer corrosiebestendig en inert voor bier. De legering uit de 200-serie bevat mangaan in plaats van nikkel en kost veel minder dan de 300-serie. Ze hebben dezelfde corrosiebestendigheid en vervormbaarheid, maar kunnen niet gelast worden.

Roestvaststaal is het meest duurzaam van alle brouwmaterialen, maar is ook het duurste. Roestvaststaal kan redelijk goed worden vervormd, maar is moeilijker te bewerken dan andere metalen. De thermische geleidbaarheid is ongeveer 10 keer minder dan aluminium. Om een passief oppervlak te houden is het belangrijk het oppervlak schoon te houden en vrij van aanslag. De makkelijkste manier om dit thuis te doen is een sponsje of zachte borstel te gebruiken en een schoonmaakmiddel om roestvaststalen pannen te reinigen. Het actieve bestanddeel in dit spul is oxaalzuur. Als het oppervlak is geschuurd tot het blanke metaal zal de passieve oxidelaag meteen weer gevormd worden. Deze schoonmaakmiddelen zijn een effectieve manier het metaal te repassiveren nadat het gezaagd, gelast of gesoldeerd is en werken ook prima om koper schoon te maken. Gebruik geen staalwol of een roestvaststalen krabber; ze veroorzaken roest.  Roestvaststaal is niet onkwetsbaar, elke kras in de oxidelaag door een ander metaal of de vorming van niet-passieve oxides door solderen of lassen kan corrosie bevorderen, vooral in aanwezigheid van chloride.

Biologische vervuiling (trub-deeltjes) en biersteen (calciumoxalaat) kunnen ook corrosie veroorzaken. Het metaal onder de vervuiling kan door biologische of chemische acties passiviteit verliezen en putjes veroorzaken. Biersteen is een combinatie van eiwitten en mineralen, dus het verwijderen gaat het beste door de eiwitten af te breken met een bijtmiddel, zoals natriumhydroxide en de overgebleven mineralen op te lossen door een zuur schoonmaakmiddel. Roestvaststalen platenkoelers mogen niet opgeslagen worden als ze gevuld zijn met water of een schoonmaakmiddel vanwege de mogelijkheid van galvanische of biologische corrosie. Platenkoelers moeten worden gespoeld met schoon water en daarna moet al het water eruit worden gehaald. Blazen met perslucht helpt zeker om corrosie tijdens de opslag te voorkomen.

Wisselwerking met vloeistoffen

De belangrijkste vraag die brouwers beantwoord willen zien is: “Welke invloed hebben deze metalen op mijn bier?”. Zoals al eerder is aangegeven zijn veel metalen nodig als voedingsstof of zorgen voor een goede vergisting maar soms geeft de wisselwerking met metaal een probleem. De eerste is de welbekende bloedachtige smaak van ijzer. De bron van het ijzer uit bronwater zijn, roest van roestvaststaal of van ijzer in een beschadigde geëmailleerde pan. De gesuggereerde rol die aluminium speelt bij Alzheimer is allang achterhaald en kan buiten beschouwing blijven. Een metalige smaak proef je allang voordat het maar enigszins giftig kan worden. Dus poets je aluminium niet glanzend, laat het maar dof en je krijgt zeker geen smaakafwijking. Koper is een metaal met twee kanten bij het brouwen. Enerzijds is het goed voor de vergisting, maar heeft ook nadelen. Koper-ionen reageren met de waterstofsulfide, die vrij komt bij de vergisting, tot kopersulfide, die achterblijft bij de koude trub.

Keuze van apparatuur

Laten we eens kijken naar specifieke brouwapparatuur. Waar moet je op letten bij de aanschaf van een nieuwe brouwketel, koppelingen of buizen? Een aantal factoren zijn geleidbaarheid voor warmte, kosten en gebruik.  Sommige brouwers vinden de kosten het belangrijkste onderwerp, maar kosten op korte termijn moeten worden afgewogen tegen kosten op lange termijn en gebruiksgemak. Bij elke materiaalkeuze moet worden gekeken naar het gebruik en hoe het gebruik in de loop van de tijd kan veranderen. Wat betreft de kosten lijkt een geëmailleerde pan een goede oplossing, maar een geëmailleerde pan die groter is dan 30 liter is moeilijk te vinden en de kans is groot dat er binnen een paar jaar stukken van het email af springen. Het is bijna onmogelijk om een gat te boren in een geëmailleerde pan zonder het email aan te tasten. Geëmailleerd staal heeft een slechte warmtegeleiding en kan hete plekken veroorzaken waardoor het wort kan verbranden.

Aluminium is het op een na goedkoopste materiaal. Het heeft een goede geleidbaarheid en is goed schoon te maken. Aluminium is moeilijk te solderen, maar kan door een specialist worden gelast. Aluminium is heel makkelijk te bewerken, zodat een gat boren voor een kraan simpel is. Een grote aluminium ketel blijft altijd goed als je niet te hard poetst (geen basisch reinigingsmiddel) en kost maar de helft van roestvaststaal.

Roestvaststaal heeft niet de goede warmtegeleidbaarheid van koper en aluminium. Desondanks kan het wort gemakkelijk verbranden, maar het is gemakkelijk schoon te maken. Roestvaststaal van de 300-serie kan prima worden gelast en bewerkt. Grote roestvaststalen ketels zijn nogal duur, zeker als ze een aluminium bodem hebben voor een betere warmteverdeling. Maar een goede roestvaststalen ketel gaat “eeuwig” mee. Een nuttig onderdeel van grote brouwketels is een kraan waardoor de hete vloeistof gemakkelijk kan worden overgedaan in een koeler of een ander vat. Er zijn kranen in brons, brons met nikkel en roestvaststaal. Een bronzen kraan gaat heel erg lang mee bij het juiste onderhoud. Als het regelmatig schoonmaken en onderhoud moeilijk is, dan zijn vernikkelde en roestvaststalen kranen een oplossing omdat ze minder onderhoud vergen. Vernikkelde kranen kosten ongeveer het dubbele van bronzen kranen, maar 304 roestvaststalen kranen kunnen wel drie keer zo duur zijn.De 200-serie RVS kost minder dan de 300-serie en kan ook gebruikt worden als er niet hoeft te worden gelast. Roestvaststalen kranen zijn natuurlijk het mooiste, maar als je wat aandacht besteed aan het schoonmaken dan zijn bronzen kranen eigenlijk net zo goed.

Met de stijgende koperprijzen is koperen buis duurder dan roestvaststaal, maar koper is gemakkelijker te vinden in de doe-het-zelfzaak. Brons is er alleen maar in starre buizen en koppelstukken. Voor wortkoelers is koperen buis de beste keus.

Samenvatting

Elk materiaal heeft zijn voordelen en zijn nadelen, afhankelijk van de vorm en waarvoor je het wilt gebruiken in je brouwerij. Aluminium en brons is meestal de meest economische keuze, maar hebben meer aandacht nodig bij het schoonmaken. Koper is lang het favoriete materiaal geweest voor doe-het-zelvers, omdat het makkelijk te maken is en een goede warmtegeleiding heeft. Maar door de stijgende koperprijzen is roestvaststaal dikwijls goedkoper. Roestvaststaal is altijd de gouden standaard geweest voor brouwapparatuur vanwege de bijzondere bestendigheid tegen corrosie en duurzaamheid, maar de kosten zijn dikwijls een probleem. Weeg je verlangens en noodzaak tegen elkaar af en gebruik de informatie uit dit artikel om de brouwerij te bouwen die het beste is voor jou.

John Palmer

Bron: Brew Your Own, november 2007, vertaald en bewerkt door Frits Haen