식품산업에서 증기(스팀)의 이용기술

 

식품산업에서 증기의 이용기술

 

1. 개요

식품 안전성과 환경문제 분야에 관심이 높아지고 있는 가운데, 식품산업계에서는 식품의 안전확보, 기업경쟁력 강화, 고객 만족도 향상, 기업으로서의 사회적 책임 수행 등은 상시적인 경영과제라 할 수 있을 것이다.

또 이들 경영과제 달성은 식품산업계의 공장·공정에서 대량으로 사용되고 있는 『증기』와 크게 관련되어 있으며, 증기의 쓰임새에 의해서, 식품의 안전·품질, 기계 설비 생산성 및 에너지합리화, 원가절감 등이 크게 좌우된다. 그래서 많은 식품 공장에서 증기는 공장조업상의 중요한 관리 및 개선의 대상으로 여겨지고 있다.

그런데 일부 공장에서는 증기는 물과 마찬가지로 밸브를 열면 나오는 것이라는 인식밖에 없는 경우도 있어 증기분야에 대해서 개선이 뒷전으로 미루어진 공장도 많이 볼 수 있다. 그러나 실제로는 증기의 사용법을 확실하게 개선하고, 품질·생산성향상, 비용절감, 인력감축, 에너지절감 등의 큰 효과를 거두고 있는 공장이 많다.

이에 식품산업계의 "이익을 올리는 에너지 절약·환경대책 및 품질·생산성향상의 실현"을 목적으로, 식품공장에서 중요한 증기에 초점을 두고 증기의 기초부터 그 응용·유효이용기술의 포인트 등에 대해서 실제의 개선 사례를 포함해서 소개 하겠습니다.

 

 

2. 식품기계 와 증기사용 목적

식품산업계에서 사용되는 기계설비는 일본식품기계공업회에서 분류·정의 되었으며, (1)정미기계 (2)제분기계 (3)제면기계 (4)제빵/제과기계 (5)우유가공 기계 (6)음료가공 기계 (7)육류가공 기계 (8)수산가공 기계 (9)채소가공 기계 (10)식량조리/가공 기계 (11)선도관리 기계 (12)건조기 (13)발효/제조 기계 (14)식품위생관리 기기 (15)계량/포장 기계 (16)환경대책 기기 (17)분석/검사 기기 (18)반송/수송 기기 (19)기타 식품관련기기로 구분되어 있다.

이처럼 식품 업계의 기계설비는 주로 가공되는 식품의 종류로 분류되고 있지만, 다른 관점인 "증기의 사용 목적" 으로 구분하면 다음과 같이 정리할 수 도있다.

<가열>...
삶고, 끓이고, 튀기는 등을 위하여, 생산물이나 사용수·기름 등에 열을 주고, 소정 온도로 승온시킨다. 일반적으로 60~200℃ 정도.

<건조>...
열풍 등으로 식품의 수분을 증발시키고 말린다. 일반적으로 30~250℃ 정도

<찜/가습>...
김을 대어 찐다. 건조를 막아 습도를 유지하거나 높인다. 일반적으로 100℃ 전후.

<굽기>...
고열로 굽는다. 일반적으로 150~300℃ 정도.

<농축>...
바짝 졸여서 농도를 높인다. 일반적으로 60~150℃ 정도.

<추출>...
혼합물로부터 특정성분을 가열·분리하여 빼낸다. 일반적으로 80~150℃ 정도.

<증류>...
가열, 기화시키고 다시 냉각하여 순도를 높인다. 일반적으로 80~150℃ 정도.

<멸균/살균>...
세균, 미생물을 가열, 사멸시켜 제거하고. 불활성화한다. 일반적으로 65~150℃ 정도.

<세척>...
세척, 헹굼, 깨끗하게 한다. 일반적으로 60~150℃ 정도.

또 식품기계에서의 증기사용 방법은 찜통이나 레토르트 솥, 온수조 처럼 증기자체가 직접 피 가열 물에 닿는 "직접가열"과 이중 솥이나 열 교환기처럼 전열면을 통해서 직접적으로 피 가열물에 닿지 않는 "간접가열"로 대별된다.

식품공장의 제조책임자 및 경영자들에는 증기가 식품기계 설비의 본래의 기능·목적을 달성하기 위한 중요한 매체임을 재인식하면서, 증기사용 시설의 개선과제를 명확히하기 때문에 실제로 증기를 사용하고 있는 설비에 대해서, 각각의 사용목적이 합리적이고 효율적으로 장기간에 걸쳐서 달성되고 있는지 여부를 수시로 점검할 것을 권장한다.

3. 식품산업의 가열 살균의 중요성

식품공장의 살균공정은 식품안전 확보 때문에 특히 중요한 공정이며, 식약청은 "음식에 기인하는 위생상의 위해 발생을 방지하고 국민건강보호를 위함"을 목적으로 『 식품 위생법 』을 제정하고 그 가운데 1)기계설비의 세척멸균과 2)식품의 살균·제균에 대해서도 세밀하게 규정하고 있다.

기계설비에 대해서는 『 식품위생법 』에 기초하여 『 식품위생 시행령 』에서 "기계·기구류를 사용한 후에는 세척하고 필요에 따라서 열탕, 증기, 약제 등으로 소독 및 건조시킬 것"으로 규정되었으며 또한 업종별로는 예컨대"청량음료(탄산을 함유하는 것을 제외)제조설비에는 자기 온도계 또는 보통 온도계를 장착한 살균기를 갖추는 것"이라고 명기되어 있다.

한편 식품의 살균·제균에 대해서는 『 식품규격기준 』에서 예를 들면,"생유의 경우는 62~65℃에서 30분 동안 청량 음료(pH4.0이상의 예)의 경우는 85℃에서 30분간, 어육 어묵의 경우는 120℃에서 4분간 등등, 가열 살균하기"와 식품의 종류마다 개별적으로 규정되어 있으며, 식품 영업자에게는 이들의 준법이 의무화 되어 있다.

그리고 이들의 가열에는 증기가 쓰이면서 증기의 쓰임새가 식품 공장에서 더욱 중요한 식품의 안전성에도 크게 관여하게 되어있는 것이다.

4. 식품 업계에서 사용되는 증기의 종류와 응용 분야

증기는 일정한 압력 하에서 물이 가열되면서 끓고, 증발해서 수증기가 된 것으로 인류가 처음에 증기를 사용한 것은 기원전까지 소급되어진 것으로 알려졌다. 그러나 본격적인 실용화에 성공한 것은 1765년 증기기관차의 발명이며, 이 당시는 동력에너지로 증기의 이용이다. 그 후 가열이나 건조, 증류 등의 열 전달로 증기가 사용된 것은 18세기 후반부터이다.

이처럼 근대의 증기의 역사는 불과 200여년밖에 안 됐지만 현대에서는 발전에서 가열·건조·반응·살균·공조, 심지어 진공발생 등 폭넓은 분야에서 증기가 이용되고 있어 오늘의 산업계에서는 증기가 가장 많이 사용되는 열 에너지까지 되어 지금도 아직 응용 분야는 확대되고 있다.

증기의 종류는, 포화증기와 과열증기로 구분되며 포화증기는 압력이 일정하면 온도가 변하지 않고, 또 열이 빼앗기면 바로 응축하고 액화(이 액체를 드레인이라 한다) 하는 성질을 가지고 있으므로 식품업계는 가열이나 건조·찜·살균 등의 용도로 최적이다. 한편 과열증기는 포화온도보다 고온의 증기에서 열이 빼앗기고도 온도가 포화온도까지 떨어질 때까지는 응축하지 않는다는 성질을 갖고 있어 식품업계에서는 직접증기를 사용하는 소성·세척·멸균 등의 용도로 사용되고 있다. 특히 최근에는 대기압력의 과열증기의 응용이 주목되고 있다.

또 일반적으로 증기 및 열수가 사용되는 압력·온도 영역은 그림1처럼 각각 다음과 같은 특징을 갖고 있다.
                           그림1  증기 및 열수의 응용 범위

 

 

 

1)포화 증기
열 교환기와 시루 등의 가열·찜·건조 등의 목적으로 널리 이용되는 증기로, 통상은 0.05~2.0MPaG, 110~215℃ 정도로 건조포화증기와 포화증기가 있다.

2)일반 과열 증기
주로 발전터빈 동력용 등에 사용되는 것으로 터빈의 고효율화를 목적으로, 근년은 더욱 고압·고온화 쪽 경향이며, 최대 25MPaG, 600℃의 과열 증기가 이용되고 있다.

3)상압 과열증기
대기압력하에서 200~800℃ 정도의 과열증기에서 대기압력 때문에 취급하기 쉽고 또 무산소 상태에서 구운 건조를 할 수 있어서 식품의 품질 열화가 적다는 장점도 있으며 최근에는 직접가열의 소성·로스팅 살균 등에 널리 이용되고 있다.

4)진공 증기
엄밀히는 진공증기가 아니라 대기압력 이하의 감압 증기로, 온도도 100℃ 이하로 포화 상태이면 압력의 미세조정으로 30~100℃ 정도까지 임의로 설정·변경할 수 있다.

100℃ 이하이지만, 온수와 달리 잠열을 가지고 있으므로, 전열 면에서의 균일한 온도 유지와, 치밀한 온도변화가 가능하면서도 피 가열물 승온이 빠르다는 특징이 있다. 지금까지 열 전달로 온수가 이용되어 온 재킷 솥이나 오토 클레이브, 판형 열 교환기 등의 용도에 급속하게 응용이 확대되고 있다. 또 승온·온도 유지만 아니라 진공 증기 기술의 응용에서 냉각까지 할 수 있도록 되어 있다.

5)아연 임계 수
물의 임계점인 22.1MPaG, 374℃에 이르기 전의 열수에서 강한 산화력과 분해력이 있어서 단백질의 분해용 등에 이용된다.

6)초임계 수
초임계란 기체와 액체가 공존할 수 있는 한계의 온도와 압력인 임계점을 넘어 기체와 액체의 구별이 못하게 된 상태의 유체로 기체와 액체 양쪽 성질을 갖고 있으므로 반응 용제 등의 용도로의 이용이 기대되고 있다.

 

5. 식품 공업에서의 증기 사용 상의 원리와 원칙

증기는 공장에서 평상시 아무렇지도 않게 쓰이는 것이 많지만, 식품 공업·설비의 증기 사용에 대해서는 식품의 품질 안정화, 식품공업·설비 생산성 제고나 에너지절감, 증기 유효 이용, 환경 보전 등의 촉진의 관점에서 아래의 7항목의 원리와 원칙이 있는 증기 사용으로는 이들 원리와 원칙에 따라야 한다.

1)증기의 공급·정지
많은 식품 기계·설비는 Batch운전인데, 증기를 사용하는 설비에는 증기 유효 이용의 관점에서 실제로 증기를 필요로 할 때만 증기를 공급하고, 불필요한 때에는 설비의 증기 입구에서 완전히 닫을 수 있는 밸브에 의해서 증기를 정지해야 한다.

이는 당연한 것이지만 실제 식품공장에서는 가동하고 있지 않는 설비에 증기가 공급된 채로 이어지는 사례나, 설비의 증기 입구 밸브가 새고, 증기가 계속 들어가고 있는 경우라든가, 설비의 승온에 필요한 시간에 대해서 필요 이상으로 일찍부터 증기가 공급되는 경우 등은 흔한 사실이다.

2) 좋은 증기의 공급
세척기 및 살균기 등 직접 증기를 사용하는 설비에 공급되는 증기 중에 녹·쓰레기 등의 불순물이 함유되면 본래 목적인 살균 등의 효과마저 잃어버리게 된다. 또 녹, 스케일 등이 제어 밸브 등의 시스템 등의 간극에 들어가게 되면 제어 밸브의 동작 불량의 원인이 된다.

한편 증기의 건조도가 낮은 경우에는 증기 중의 드레인 물방울에 의해서 밸브 시트부 등의 에로젼이 촉진됨과 동시에 직접 가열의 경우에는 배수 물방울이 제품 표면에 달라붙어 품질 불량을 발생시킨다. 또 간접 가열의 경우라도 열 교환기 등 전열 면의 전열 효율이 떨어져 생산성을 저해한다.

또한, 증기 중에 공기 등의 압축 가스가 혼입되면 증기의 온도가 내려가서, 공기가 전열 면의 전열 효율을 저해하는 동시에 온도 편차를 일으킨다. 그리고 공기의 열 전도율은 드레인의 약 1/25, 철의 약 1/1,800이므로, 전열 면에 근소한 공기층이 개재(介在 )한 것만으로도 전열 효율이 매우 낮아지는 것을 알 수 있다.

이처럼 증기의 질이 나쁘면 상상 이상으로 다양한 장애를 일으킨다.

양질의 증기는 녹 등의 이물질을 포함하지 않고 건조도가 높고 공기 등의 응축 가스도 포함하지 않는 증기를 말하고 증기의 사용 방법을 직접 가열,·간접 가열 어느 경우라도, 설비에 공급하는 증기는 항상 좋은 증기이어야 한다.

3)적정 압력으로 증기 공급
각 기계·설비에 공급하는 증기 압력은, 각각의 설비의 증기 입구에서 적정한 압력으로 설정하여 공급해야 한다.

증기 압력이 높은 경우에는 온도도 높아서 설비의 승온은 빠르지만, 가열의 얼룩이 일어나기 쉽고 또 저압 증기에 비해서 증기의 잠열이 작기 때문에 간접 가열의 경우는 증기 사용량이 증가한다.

각 설비의 적정한 증기 압력은 피 가열물의 품질과 생산성, 증기소비량의 검토로 결정되는 것으로 증기의 온도가 피 가열물의 가열 온도보다 높지만 가능한 한 저압 증기이다.

4)증기의 모니터링
『 식품위생법 시행령 』에서는 "식품을 가열, 냉각 또는 저장하는 설비에는 온도 또는 압력을 정확히 조정하는 장치 및 온도계 또는 압력계가 설치될 것과 살균기에는 자기 온도계 및 보통 온도계를 장비하는 것"으로 규정되어있다. 그러나 이들의 온도나 압력의 감시·기록은 식품 안전 확보 때문에 법률로 정해진 최소한의 것이며 증기 유효 사용의 관점에서는 매우 부족하다.

증기의 유효 이용을 위해서는 꼼꼼히"증기 원 단위 관리"가 필요한데, 그 때문에 기계 설비별 증기 사용량(순식간 유량, 배치마다 유량, 적산 유량 3항목)과 생산량(배치별 생산량 누계 생산량의 2항목)을 정확히 계량, 상시 모니터링하고 설비 단위 공정 단위 공장 전체의 에너지 관리를 철저히 시행해야 한다.

5)증기의 자동 제어
생산 현장에서는 숙련 작업자가, 가마솥의 익어가는. 상황 등을 보면서 증기 공급 밸브의 개폐를 미세 조절하는 광경을 잘 보지만, 앞으로의 시대는 숙련 작업자의 경험과 감에만 의존할 수는 없다. 식품 가공물의 온도와 습도, 또는 뜨거운 물이나 기름 등의 온도를 임의로 제어하기 위해서는 증기 공급 제어 자동화가 필요하다.

증기 공급 제어 자동화는 일반적으로 공급 증기의 압력, 유량, 피 가열물의 온도 등이 대상이 되고 목적에 맞추어 자동 제어 밸브 등을 이용한 시스템이 주어진다. 또 원리·원칙 1)에 적혀진 증기의 공급·정지에 대해서도 사람에 의존하지 않고 가능한 한 자동화해야 한다.

6)드레인의 신속 배제
증기를 사용하면 응축해서 꼭 드레인이 발생하지만 이 드레인은 증기에 의한 가열을 저해하며, 녹을 발생시킨다. 또 드레인은 배관 등의 애로전을 촉진하고 드레인이 체류하면 매우 위험한 워터 해머를 발생시킬 수도 있다.

식품 공장에서는 스팀 트랩의 바이 패스 밸브를 열어 공기와 드레인을 빼고 있는 광경을 잘 보지만, 이는 적절한 트래핑을 하면 본래는 필요 없는 조작이며, 증기 손실도 막을 수 있다.

증기 수송 배관 및 기계·설비에서 발생하는 드레인은 확실한 트래핑에 의해 신속하게 배관 내 등에 잔류시키지 않고 배출해야 한다.

7)배열의 유효 이용
간접 가열설비로 사용된 증기는 드레인이 어고 스팀 트랩에서 배출되지만, 드레인은 아직 고온으로 원래 증기가 보유하고 있던 전 열량 중 20~30%에 해당하는 열량을 갖고 있으며 이 배수를 회수하여 효율적으로 이용하면 보일러 연료를 대폭 삭감할 수 있다.

또 생산 현장에서 드레인을 방출하면 곰팡이의 발생 요인이 되지만, 밀폐 배관에서 드레인을 회수하면 곰팡이의 발생도 줄일 수 있다.

또한 드레인뿐만 아니라 찜통이나 온수 탱크에서 낀 湯気(김)도 제대로 회수·재활용하면 에너지 절약·환경 대책으로 이어지고 이들 드레인· 湯気(김) 등의 폐열 유효 이용을 실시해야 한다.

이상 증기 사용 상의 원리와 원칙을 설명했으나, 아시다 시피, 증기는 보일러에서 만들어져, 긴 증기 배관을 경유하여 기계·설비에 공급되고 드레인이 되고, 다시 보일러에 돌아온다. 그래서, 증기의 유효 이용 기술은 증기 사용의 원리와 원칙만 아니라 증기 발생, 증기수송, 드레인 회수의 원리와 원칙 등도 있다.

또 증기 사용 시스템 개선에 있어서도 증기 시스템 전체를 파악하고 개선하는 것도 중요하며, 원래 이것들도 서술해야 하는데, 지면의 제약상 가장 중요한 증기 사용 상의 기술에 국한시켰습니다.

 

 

6. 식품 공업의 용도별 개선 사례

6-1. 에너지 모니터링의 도입 사례

에너지 절약 촉진 및 지구 온난화 방지는 에너지를 사용하는 것들에게 사회적 책임이

있으며, 또 『 에너지 사용 합리화에 관한 법률 』과 『 지구 온난화 대책 추진에 관한 법률 』 등으로 에너지 사용량과 온실 가스 배출량의 정기 보고 등은 준법 사항이기도 합니다.

에너지를 사용하는 사업소에서 철저한 에너지 절약을 위해서 가장 중요한 것은,

(1)사업소 내의 전체 에너지 소비량을 생산량에 비례하고 증감하는 변동 에너지와 생산에 관계 없이 소비되는 고정 에너지로 구분하여 정확히 파악하고,

(2)설비·공정 단위로 "에너지 원 단위"로서 항상 『 가시화 』 상태를 만들고,

(3)그리고 변화·고정 에너지 모두를 저감하고 에너지 원 단위를 개선하는 PDCA활동을 조직적·지속적으로 행하는 것이다(그림 2참조).

 

 

 

A공장은, 과거에 에너지 절약 활동에 막혀 있어 새로운 개선 과제가 발견되지 않는 상태였다. 거기에서 지금까지 이상으로 철저한 에너지 절약을 위해서  『 에너지 모니터링 시스템 』을 도입하고 중요 설비별·공정별 공장 전체의 증기·전기·가스·물 등의 각 에너지 사용량과 에너지 원 단위를 정상 이하가 되도록, 관계자가 상시 감시하도록 했다.그 결과 에너지 사용의 낭비와 이상을 조기에 발견하게 되었고, 또 조직적인 에너지 절약 활동의 전개를 실시한 결과, 증기 원 단위를 37%, 전기 단위가 11%개선했다.

 

6-2. 보일러의 증기 환기 개선 사례

소형 관류 보일러의 보급에 의해서 보일러의 취급은 간단하게 되었지만, 보일러 운전 시작 후에 실시하는 공장에 증기 이송을 위한 밸브 조작은 노장의 경험자가 하지 않으면 증기 수송 배관 등에서 워터 해머가 발생할 가능성이 높아 매우 위험하다.

그 때문에 식품 공장 중에는 보일러 가동중지 때도 공장에 증기 환기용 밸브는 개방 상태로, 증기이송을 위한 밸브 조작은 일절 하지 않고 보일러의 운전을 하고 있는 공장을 찾아보지만 이로써 기계·설비에 양질의 증기를 공급할 수 없고, 매일 아침 시작에 오랜 시간을 요하며, 워터 해머도 일어나기 쉽다. 또 워터 해머를 방치하면, 증기 배관이나 설비의 파열이라는 중대 사고가 있을 수 있어 가볍게 여길 수 없는 문제이다.

보일러의 증기 이송에서 중요한 것은(1)증기이송의 시작 때는 증기 배관과 설비가 식어 있어서, 단번에 증기를 이송하면 드레인이 배출하지 못하고 워터 해머가 발생하므로 드레인을 체류시키지 않고 신속·확실히 배출하게 하는 것이고

(2)증기의 이송이 점점 시간을 들여 자동적으로 하는 것이다.

(3)또 보일러에서 캐리 오버하는 물과 증기 배관 중에서 발생하는 드레인을 모두 빼서 증기를 건조 증기로 만든다 (4), 적정한 압력으로 증기를 이송하는 것이다.

B공장은 매일 아침의 보일러의 증기 이송할 때 발생하는 워터 해머의 해소와 이송용 밸브 조작의 자동화를 목적으로, 『 증기 자동 환기 시스템 』(그림 3)을 도입했다. 이 시스템은 증기 환기 자동화와 증기 배관 관말에서 드레인의 강제 블로 배제(강제로 빼기)를 자동적으로 실시하는 시스템인데, 본 시스템의 도입으로 매일 아침 공장 증기이송을 위한 밸브 조작이 무인화되어 단시간에, 워터 해머를 일으키지 않고 증기 환기할 수 있게 됐다. 오리피스 식은 자동적으로 해결 됨.

 

 

 

또 증기 이송 제어 자동밸브에 그림4의 『 공기식 제어 밸브(분리기, 트랩 내장)』(TLV 상품의 경우"CV-COS")를 사용하면 보일러 물의 캐리 오버에서 증기와 함께 오는 물방울을 제어 밸브에 내장된 분리기 및 트랩에 의해서 강제로 분리 배제할 수 있으므로 항상 건조도가 높은 증기를 공급할 수 있다.

 

 

  

6-3. 찜통의 개선 사례
식품 공장에서는, 시루에 대표되도록 증기로 직접 가열하는 기계 설비가 많아 이들의 설비에서는 장기, 증기의 건조도가 과제다. 찜통의 목적은 식품에 김을 대다 찐 것이지만, 시루에 공급하는 증기의 건조도와 온도가 항상 일정하지 않다고 식품의 품질이 안정되지 않다. 건조도가 낮은 증기 중에 배수 물방울을 많이 포함한 증기에서는 식품의 표면에 배수 물방울이 부착하고 제품 불량이 발생한다.

직접 가열의 설비에서 증기를 사용할 때 중요한 것은(1)증기 유량의 변화에 의해서 항상 건조도가 변화하는 증기 중의 드레인 물방울을 모두 강제 분리·배제하고 항상 일정한 건조도가 증기를 공급하게(2)증기 유량과 일차 측의 압력의 변동에 관계 없이 항상 일정한 압력(온도)의 증기를 공급하는 것이다.

C공장은 그동안 찜통의 증기 입구에 통상의 감압 밸브를 사용하고 있었지만, 드레인 물방울에 의한 제품 품질의 오류 및 감압 밸브의 이차 측의 밸브를 잠가마다 압력이 상승하고 안전 밸브에서 연기가 피어 올라라는 과제를 떠안고 있었다. 그곳에서 감압 밸브를 사진 2 같은 『 증기 프로세스용 감압 밸브(분리기, 트랩 내장)』(우리 회사 상품의 경우"COSPECT")의 개선을 실시했다.이 상품은 고 정밀의 압력 유지 기능과 증기의 건조도 향상 기능을 갖춘 안정된 압력 증기를 공급하고 통과하는 증기 중에서 강제적으로 배수를 분리·배제하고 건조도가 높은 증기를 공급할 수 있다.

 

자료출처- TLV

 

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