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[기획] 액체 탄산을 활용한 지방질의 분말 가공최대 -78℃서도 공정 가능…10~100㎛ 미세분말 생산
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승인 2002.04.15  
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식품업체들에게 있어 기존 제품과 확실하게 차별화 할 수 있는 혁신적인 신제품을 개발한다는 것은 지금까지 없었던 전혀 새로운 원료물질을 만들어 내거나 기존 원료물질을 한차원 개선한다는 것과도 일맥상통하는 의미를 가지고 있다.

새로운 원료의 개발이나 신기술을 채용한 최신 가공공정 없이 소비자들로부터 큰 반향(反響)을 일으킬 수 있는 신제품을 출시한다는 것은 거의 불가능에 가깝기 때문이다.

그러나 이러한 식품 원료물질들은 사회가 발전하고 사람들의 의식수준이 높아지면서 과거와 달리 품질은 물론 제품의 균질성, 윤리성, 적법성 등과 같은 보다 다양한 측면에서 그 조건의 타당성을 검증 받아야만 한다.

이러한 상황에서 고체 및 액상(液狀)물질을 파우더와 같이 분말로 가공하는 기술은 식품업체들에게 취급과 가공 및 적용범위 등에서 더할나위 없이 다각적인 잇점들을 제공하고 있다.

미세하고 균일한 입자를 지닌 분말은 첨가시 보다 용이하면서도 식품과 쉽사리 혼합되며 신속하게 용해되기 때문이다.

결국 분말가공기술은 수없이 많이 존재하는 각종 식품원료물질들의 생산과 첨가를 용이하게 함으로서 식품업체들이 지금과 같이 대량생산에 의한 산업화를 이룰 수 있게 만든 원동력이라고 해도 과언이 아닌 셈이다.

특히 양념이나 스프 그리고 기타 즉석가공식품 제조업자들의 경우 분말형태의 지방질(유지류, fat)원료나 분말과의 혼합물 등과 같은 파우더(powder)에 대한 관심이 지속적으로 높아지고 있는 추세이다.

이러한 기류에 발맞춰 산업용가스업체들도 식품 원료를 분말로 가공할 수 있는 제품을 개발, 공급하고 있는데 주로 액체탄산을 활용한 시스템을 선보이고 있다.

탄산은 인체에 무해하면서도 스프레이 매개체나 냉각제로 동시에 사용할수 있을 만큼 음식물과 상호호환성이 크기 때문이다.

또한 탄산 분말가공기술은 관련장비에 대한 투자비용이 비교적 저렴하면서도 지방질 식품원료의 경제성 향상에 탁월한 능력을 나타내고 있다.


[스프레이 타워 방식 분말 공정]

일반적으로 지방질 원료를 분말화하는 작업은 지금까지 일명 ‘스프레이 타워(spray tower)’를 통해 이루어져 왔다.

그러나 이러한 공정은 상당한 작업공간이 요구되는데다 그에따른 투자비도 만만치 않기 때문에 중소규모 식품업체가 독자적으로 빈번하게 스프레이 타워를 사용하는 것은 현실적으로 쉽지 않았던 것이 사실이다.

또한 거대한 스프레이타워를 활용할 수 있는 대형 업체의 경우에서도 제품생산에 상당한 비용이 들어가는 것은 물론 생산제품을 교체할때마다 시스템의 청소와 재정비에 많은 추가비용을 투입해야 하므로 경제성 측면에서 이익을 얻는다고는 말할 수 없었다.

더욱이 기술적 이유로인해 오직 용융점이 40℃ 이상인 원료들만 이 장비를 사용할 수 있어 적용가능 물질이 특정범위로 한정되어 있다는 점도 상용화의 한계로 지적됐다.

이에더해 가장 문제시되는 부분은 식품제조업체가 스프레이 타워를 사용하기 위해선 스프레이타워 제작업체들에게 분말화되는 원료물질에 대한 특유의 물질정보를 제공해야한다는 사실이다.

막대한 R&D비용을 들여 개발해 특급 기밀로 분류되는 신종 원료물질 정보를 외부에 공개한다는 것은 그 자체로 신제품이라는 의미를 잃어버릴 수 있기 때문에 스프레이타워 제조업체와의 돈독한 신뢰관계 구축없이는 시스템 구축자체가 불가능했던 것이다.

이에따라 위에서 제기된 문제점들을 극복하고 상업화 가능한 효용성 높은 식품원료 분말화 장비를 개발하기 위해서는 다음와 같은 조건을 우선적으로 충족시켜야만 한다.

첫째 저렴한 설비투자비와 관리비용, 둘째 단순한 제품교체 기능 및 낮은 클리닝 비용, 셋째 소량생산에도 적용할 수 있는 다양한 사이즈의 장비, 넷째 신제품 및 새로운 공정과의 조화 등이 바로 그것이다.


[액체탄산 분말가공 시스템]

이러한 관점에서 최근 개발된 액체탄산 분말가공 시스템은 식품업계의 갈증을 일거에 해소해줄만한 탁월한 기술로 받아들여지고 있다.

이 제품(그림-1)은 액체탄산을 스프레이 매개체와 냉각물 등 2가지 용도로 동시에 사용하고 있는데 대략 <도표-1>과 같은 공정을 거치게 된다.

먼저 지방질 원료물질은 투입됨과 동시에 탱크내부에서 녹여지며 컨베이어 벨트를 통해 혼합공정으로 이송된다.

여기서 액상화된 원료물질은 액체탄산과 혼합하면서 분말화되고 액체탄산의 지속적인 투입을 통해 분말화된 지방질은 더욱 미세한 입자로 나누어진다.

이때 액체탄산은 원료물질을 분말화함은 물론 동시에 냉각하는 작용까지 수행하게 되며 혼합공정에서 발생하는 압력은 별도의 노즐을 통해 외부로 방출된다.

원료물질과 액체탄산의 혼합비율을 조정함으로서 분말화되는 온도를 제어할 수 있음은 당연하다.

실험결과에 따르면 액체탄산 분말기술은 극단적이기는 하지만 -78℃ 상태에서도 공정을 진행할 수 있는 것으로 나타나 40℃이하의 용융점을 지닌 물질만 분말화할 수 있었던 스프레이 타워에 비해 월등한 비교우위를 지니고 있다.

또한 액체탄산이 원료물질과 직접 접촉함으로서 가스 사용의 효율성을 극대화할 수 있다는 점도 장점으로 꼽힌다.

이외에도 스프레이 타워방식 대비 액체탄산 분말기술의 장점은 무궁무진하다. 실제로 이 공정을 활용하면 입자폭이 10~100㎛ 사이의 미세분말 생산이 가능하며 분말화된 즉시 제품가공에 투입할 수 있고 포장도 가능하다.

보다 안정된 분말을 필요로 한다면 적합한 온도에서 저장할 수 있는데 가스정제기를 통과한 액체탄산 배기가스가 저장시 냉각제로 재활용된다.

장비의 크기 또한 소형으로 시간당 1천리터의 생산능력을 보유한 제품의 경우가 가동 및 클리닝 설비를 포함해 약 15~20㎡ 정도의 공간만 차지한다.

액체탄산은 건물 외부에서 별도의 저장탱크를 통해 공급되지만 액체탄산 분말장비 내부에는 탄산의 농도를 모니터링하고 배기가스의 배출시스템을 감시할 수 있는 공기분석시스템이 장착되어 있어야 한다.

인건비를 제외한 분말공정 자체에 투입되는 비용은 탄산 소비량과 장비의 생산능력에 의해 좌우되기는 하지만 스프레이타워에 비해 낮은 비용이 들어간다는 점은 분명하다.

일반적으로 분말 1㎏당 액체탄산 1~2㎏이 소비되는 것으로 알려지고 있다.

제품특유의 성질을 제외하고 탄산의 소비량을 변화시킬 수 있는 요인은 탄산의 투입온도, 원료의 용융점, 분말화하는 요망 온도 등이다.


[액체탄산 분말기술의 적용]

액체탄산 분말가공 시스템은 다음과 같은 다양한 분야에서 적용될 수 있다.

먼저 위에서 설명한바와 같이 지방질의 미립자 공정에 유용하다. 특히 고농축 지방질에 탁월한 성능을 발휘한다.

단백질이나 레시틴(lecithin, 신경세포 및 알의 노른자위 속에 있는 지방 비슷한 화합물) 등과 같은 여타 유화제(emulsifier)들과 모노글리세리드(monoglyceride)의 화합이 요구되는 경우에도 활용할 수 있다.

또한 코코아 버터의 분말화를 통해 초콜릿의 외부표면을 코팅하는데 사용할수 있으며 유화제와 하이드로콜로이드(hydrocolloid)의 결합도 가능하다.

특히 흩뜨리기 어려운 원료물질들의 경우 액체탄산 분말공정을 거치면서 적당한 지방질과 혼합됨으로서 요구하는 수준의 제품을 생산할 수 있다. 그리고 이를통해 식품원료에 먼지가 삽입되는 문제를 줄일 수도 있다.

한편 업계 전문가들은 이러한 액체탄산 분말기술이 식품업계에서 그 입지를 강화하는 것은 물론 지방을 공급해야하는 화학산업이나 제약산업에서도 광범위하게 적용될수 있을 것으로전망하고 있다.

○ 탄산의 성질과 분말화 원리

- 탄산(CO2)은 무색.무취의 기체로 비중은 공기 1에 대하여 1.529이며 승화점은 -78.50℃이다. 상온에서는 비활성을 띈 기체로 존재하지만 고온에서는 다른 물질과 반응한다.

물에 잘 녹으며 물 1ℓ에 대하여 0℃에서 1.71ℓ, 20℃에서 0.88ℓ, 40℃에서 0.53ℓ가량 녹는 것으로 알려져있다. 물 속에서는 일부 해리(解離)하여 산성을 띈다.

물에 녹여 만든 액화탄산은 일반적으로 청량음료로 사용하지만 조연성(助燃性)이 없다는 점을 활용해 소화제로 사용하기도 한다.

탄산을 단열팽창하여 얻는 고체인 드라이아이스는 냉동제로 사용하는데 호흡흥분약으로 호흡중추를 자극하여 흡기작용을 일으키며 사람이 5% 이상의 이산화탄소에 장기간 노출되면 의식을 잃거나 사망한다.

만일 압축된 액체탄산이 대기중으로 확산되면 -78℃의 기체탄산 또는 고체탄산(드라이아이스)가 생성된다.

이때 기체탄산과 드라이아이스의 발생비율은 액체탄산의 시작온도(starting temperature)에 의해 결정되는데 예를들어 0℃의 온도와 35bar의 압력을 지닌 1㎏의 액체탄산이 대기중(1bar)에 방출되면 dir 0.4㎏의 드라이아이스에 생성된다.

반면 만일 60bar의 압력을 지닌 20℃의 액체탄산이 대기중에 방출되면 약 0.3㎏의 드라이아이스만이 생성된다.

드라이아이스를 승화(昇華)시키거나 기체탄산을 가열하기 위해서는 열(heat)을 필요로하는데 액체탄산분말 공정에서는 바로 이러한 엔탈피(total heat, 열역학 특성 함수의 하나)의 차이를 응용해서 하나의 액체탄산으로 제품냉각과 분말화 과정에 동시 사용하는 것이다.

<도표-2> 또한 액체탄산이 기체로 변화되는 과정에서 발생하는 밀도의 변화는 원료물질을 원자화하고 이로인해 미립자형태의 미세 분말을 만들어 낸다.
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