제당소
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1. 개요
제당소는 사탕수수에서 설탕을 생산하는 공장이다. 사탕수수 재배 및 수확, 즙 추출, 즙 정제, 증발, 결정화, 원심 분리 등의 과정을 거쳐 설탕을 생산하며, 부산물로 당밀과 사탕수수 찌꺼기가 발생한다. 사탕수수 찌꺼기는 연료로 사용되어 전기를 생산하기도 한다. 제당소는 12세기 아랍 이집트에서 시작되었으며, 19세기에는 증기력을 이용한 제당소가 등장했다.
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| 제당소 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
| 산업 | 식품 산업 |
| 제품 | 설탕 |
| 관련 | 사탕수수, 사탕무 |
| 설명 | 사탕수수나 사탕무를 가공하여 설탕을 생산하는 공장 |
| 역사 | |
| 초기 형태 | 수동식 제분기 또는 동물 구동식 제분기 |
| 과정 | |
| 1단계 | 사탕수수를 으깨어 즙을 추출 즙을 끓여서 농축하고 결정화 |
| 2단계 | 원심 분리기를 사용하여 설탕 결정을 분리하고 당밀 제거 |
| 3단계 | 설탕을 추가로 정제하여 흰 설탕을 생산하거나, 당밀을 첨가하여 갈색 설탕을 생산 |
2. 사탕수수 재배 및 수확
원당 생산의 첫 단계는 사탕수수 재배 및 수확이다. 공장으로 들어가는 원당의 전반적인 품질은 농업 관행과 사용된 재배 품종에 달려 있다.[1] 수확은 기계 또는 손으로 할 수 있다. 손으로 수확하는 경우, 일반적으로 밭을 태우는 작업이 선행된다. 그러나 불에 탄 밭의 줄기는 가공을 기다리는 동안 설탕 함량을 더 빨리 잃는다.[1]
사탕수수 즙 추출은 원당 생산의 핵심 과정 중 하나이다. 즙을 추출하기 전에는 회전 칼날이나 분쇄기를 사용하여 사탕수수를 준비한다.
사탕수수는 트럭, 협궤 철도, 컨테이너 또는 마차로 운송된다. 도착하면 사탕수수는 무게 또는 설탕 함량에 따라 판매된다. 수확물을 내리는 방법에는 여러 가지가 있다. 절단과 제분 사이의 시간을 최소화하는 것이 높은 설탕 수율과 품질을 달성하는 데 필수적이다.
3. 즙 추출
사탕수수에서 즙을 추출하는 현대적인 공정에는 크게 두 가지 방식이 있다.
추출 단계의 산물은 다음과 같다.
2004년과 2005년에 루이지애나의 엔터프라이즈 제당소는 전통적인 제분기와 확산기를 모두 갖추고 동일한 지역의 사탕수수를 처리했다. 매주 원료 즙 샘플을 분석한 결과, 확산기가 더 높은 추출률을 보였지만 두 방식은 매우 유사한 결과를 나타냈다.
3. 1. 탄뎀 제분 (Tandem mills)
제당소에서 제분에 의한 즙 추출은 무거운 철제 롤러 사이의 고압을 사용하여 사탕수수에서 즙을 짜내는 과정이다. 이러한 제분기는 3개에서 6개까지의 롤러를 가질 수 있으며, 각 제분기 세트를 탠덤 제분기 또는 제분 기차라고 한다. 제분 추출 효율을 개선하기 위해 각 제분기에 함침수를 추가한다. 뜨거운 물을 제분 기차의 마지막 제분기에 들어가기 직전에 사탕수수에 부어 넣고 첫 번째 제분기에 도달할 때까지 재순환시킨다. 이 사탕수수에서 짜낸 즙은 설탕 농도가 낮으며 이전 제분기로 펌핑되어 롤러에 들어가기 직전에 사탕수수에 부어 넣는다. 이 제분기의 즙도 마찬가지로 제분 기차로 다시 펌핑된다. 혼합 즙(즉, 마지막 제분기에서 도입된 물과 혼합된 사탕수수 즙)은 첫 번째 및 두 번째 제분기에서 빼내어 추가 처리를 위해 보낸다. 제분 기차는 일반적으로 탠덤으로 4개, 5개 또는 6개의 제분기를 갖는다. 사탕수수가 첫 번째 제분기에 도달하기 전에 제분 추출 성능을 개선하기 위해 일반적으로 칼과 파쇄기 준비 장비를 사용한다.
3. 2. 확산 (Diffusion)
사탕수수 확산은 삼투와 침출의 원리를 이용하여 사탕수수에서 설탕을 추출하는 과정이다.[1] 확산 방식에는 반류(counter-current) 방식을 통해 바가스(사탕수수 찌꺼기) 매트를 주스에 담그는 방식과, 바가스 매트를 통해 주스를 침투(percolation)시키는 방식 두 가지 유형이 있다.
화학적 관점에서 보면, 첫 단계는 세포를 여는 것이다. 이는 일반적으로 회전하는 사탕수수 칼과 세 개의 롤러 분쇄기를 사용하여 수행되며, 이 과정을 통해 대부분의 얇은 벽 세포가 열린다. 그런 다음 이러한 열린 세포에서 침출을 통해 주스를 제거한다.[1] 즉, 열린 세포 속의 설탕이 물에 용해되는 것이다. 적절한 확산 과정은 열리지 않은 10~16%의 설탕 함유 세포에서 발생한다. 먼저 뜨거운 물을 가하여 세포의 원형질을 죽인다. 이렇게 하면 세포벽이 반투과성을 띠게 된다. 삼투 현상에 의해 물 또는 더 묽은 주스가 세포 안으로 들어가 더 진한 주스를 대체하면서 평형에 도달하게 된다. 이 단계에서 설탕은 분자량이 더 큰 비설탕 성분보다 세포벽을 더 빨리 통과한다. 이러한 특성 때문에 확산 방식이 더 많은 설탕을 추출하지만, 확산 방식으로 추출한 최종 주스의 순도는 직접 제분하여 얻은 주스보다 더 높다.[1]
침투 시스템 과정에서는 잘게 썬 사탕수수를 확산기의 공급 단부에 투입한다. 뜨거운 물은 확산기의 배출 단부 바로 직전에 잘게 썬 사탕수수 위에 붓는다. 뜨거운 물은 사탕수수 층을 통과하면서 사탕수수에서 설탕을 제거한다. 이렇게 만들어진 묽은 주스는 사탕수수 층 아래의 구획에 모인 후, 확산기의 공급 단부에 좀 더 가까운 지점으로 펌핑되어 다시 사탕수수 층을 통과하게 된다. 이 시점에서 사탕수수 내의 설탕 농도는 묽은 주스 내의 설탕 농도보다 높기 때문에, 설탕은 사탕수수에서 주스 쪽으로 확산된다. 이제 약간 더 농축된 주스는 확산기로 다시 펌핑되며, 이 과정은 일반적으로 12~15회 반복된다(제분 과정의 4~6회와 비교).
4. 즙 정제
추출된 즙은 불순물을 제거하고 순도를 높이기 위해 정제 과정을 거친다. 이 과정에서 석회유(수산화칼슘)를 사탕수수 즙에 첨가하여 pH를 약 7 또는 8로 조절한다. 이는 즙이 차가울 때 또는 약 104°C로 가열된 후에 수행될 수 있으며, 단계적으로 수행할 수도 있다.[1] 석회는 자당이 포도당과 과당으로 분해되는 것을 방지한다. 석회 처리된 즙은 플래시 증발을 통해 포화 온도에 도달하며, 이 과정에서 불순물이 침전되어 탄산칼슘 결정에 갇힌다. 플래시 처리된 즙은 정화조로 옮겨져 부유 고형물이 침전되고, 맑은 즙액은 상층액으로 분리되어 증발기로 보내진다.[1] 침전된 고형물은 여과하여 불투명도가 낮은 즙액을 생성하여 추가 정제를 위해 재활용할 수 있다.
이후 정제 과정을 통해 백설탕을 만들기도 한다.
4. 1. 탄산 처리 (Carbonation)
탄산법으로 설탕 공장 백설탕을 제조하려면 정제, 증발, 저장 단계에 변화가 필요하다.정제 단계에서 탄산화는 콜로이드, 불용성 입자, 색소 물질과 같은 비당류 성분을 분리하는 것이 목적이다. 탄산화를 사용하는 경우 혼합 주스를 55°C로 가열하고 pH 10.5-11에 도달할 때까지 석회를 첨가한다. 다음으로 이산화 탄소(CO2)를 첨가하고 주스를 압력 필터를 통과시켜 탄산 칼슘 진흙을 생성한다. 그런 다음 주스를 다시 55°C로 가열하고 pH 8.4-8.6에 도달할 때까지 석회와 CO2를 첨가한 후 두 번째 압력 여과를 수행한다.
증발 단계가 끝나면 이산화 황(SO2)을 첨가하여 시럽의 pH를 7.0으로 낮춘다.
설탕 공장에서는 탄산화가 널리 사용되지 않는데, 석회와 CO2가 대량으로 필요하고 아황산 처리가 더 저렴하기 때문이다. 인도는 예외적으로 탄산법을 사용한다.
4. 2. 아황산 처리 (Sulphitation)
제당소에서 백색 설탕을 만드는 데는 여러 가지 아황산 처리 방법을 사용할 수 있다.냉산 아황산 처리는 혼합 주스에 이산화황(SO2)를 첨가하여 pH를 3.8~4.2로 낮춘 후, 석회를 첨가하여 pH를 7.2~7.4로 높이는 방식이다. 이후 주스를 103°C~105°C로 가열한 후 청징기로 이동한다. 청징기에서 불순물이 침전되면 여과한다.[1]
온산 아황산 처리는 먼저 혼합 주스를 70°C로 가열한 다음 SO2를 첨가하여 pH를 3.8~4.2로 낮춘다. 이후 과정은 냉산 아황산 처리와 동일하다.[1]
이중 석회 처리는 먼저 혼합 주스를 70°C로 가열하고 pH가 7.2~7.4에 도달할 때까지 석회를 첨가한다. 그런 다음 SO2를 첨가하여 pH를 5.4~5.6으로 낮춘 후, 두 번째 석회를 첨가하여 다시 pH를 7.2~7.4로 맞춘다. 이후 주스를 103°C~105°C로 가열한 후 청징기로 이동한다.[1]
5. 증발
정제된 즙은 다중 효과 증발기를 통해 농축되어 시럽이 된다.[1] 이 단계에서 만들어지는 시럽은 60-65°브릭스의 가용성 고형분 함량과 3.5-4.5%의 전이당을 함유한 78~86% 순도를 가진다.
증발 과정에서 자당이 포도당과 과당으로 분해되는 것을 방지하기 위해 증발기의 온도, 속도 및 체류 시간을 조절한다. 또한, 증발기의 가열 표면에 스케일(scale)이 형성되는 것을 방지하기 위해 자기 유량(magnetic flux)을 적용하기도 한다.
6. 결정화
시럽은 진공 팬에서 과포화될 때까지 증발된 후, 종자 결정(seed grain)이 첨가되어 설탕 결정의 핵으로 작용한다. 물이 증발함에 따라 더 많은 시럽이 첨가되고, 결정 성장은 진공 팬이 가득 찰 때까지 계속된다.[1] 결정과 모액(당밀)은 massecuite|마스퀴트프랑스어로 알려진 조밀한 덩어리를 형성한다. 그런 다음 '스트라이크'(팬의 내용물)는 결정조로 배출된다.
결정조에서 마스퀴트의 결정화 과정이 계속된다. 결정조는 마스퀴트를 냉각하여 작동하는데, 이는 용해도를 감소시키고 포화도를 증가시켜 결정화를 계속되게 한다. 결정조는 저속 교반 요소가 장착된 원통형 또는 U자형 용기이며, 지속적인 작동을 위해 종종 직렬로 연결된다.
7. 원심 분리
설탕 원심분리기는 마세큐이트(massecuite)를 설탕 결정과 모액/당밀로 분리하는 데 사용된다. 원심분리기는 스핀들에 매달린 원통형 바구니로 구성되어 있으며, 바구니의 구멍 뚫린 측면은 와이어 천으로 덮여 있다. 와이어 천 안에는 1제곱인치당 400-600개의 구멍이 있는 금속 시트가 부착되어 있다. 바구니는 1000-1800rpm으로 회전한다.
당밀은 원심분리기의 구멍을 통과하고, 설탕 결정은 남는다. 설탕을 정제한 후 잘라내어 다음 배치를 위해 원심분리기를 준비한다.
원심분리기에서 나온 설탕은 건조 및 냉각 과정을 거쳐 저장된다. 대량 보관 중에는 아미노산과 분해된 전이당 사이의 마이야르 반응으로 인해 원당의 품질이 저하될 수 있다. 원당은 바로 포장되어 출하될 수도 있다.
7. 1. 비등 시스템 (Boiling system)
설탕은 결정화 및 원심분리 단계를 반복적으로 거쳐 생성되며, 이는 비등 시스템에 따라 달라진다.[1]가장 일반적인 비등 방식은 삼중 비등 시스템(three-boiling system)이다. 이 방법은 A, B, C로 불리는 세 단계의 결정화/원심분리 단계에서 당액을 끓인다. 첫 번째 단계인 A단계에서 생성된 설탕(A-설탕)은 저장된다. A-원심분리에서 얻은 당밀(A-당밀)은 B 진공 가마로 공급된다. 이로 인해 B-설탕과 B-당밀이 생성된다. A-설탕과 B-설탕을 혼합하여 공장의 상업용 설탕을 만든다.[1]
B-당밀은 순도가 훨씬 낮아 C-가마에서 다시 끓인다. A단계와 B단계에서는 결정기를 항상 사용하지는 않지만, 이 저급 마스퀴트(massecuite프랑스어)에는 결정기가 필수적이다. 마스퀴트는 하루 이상 결정기 안에 남아있는다. 원심분리에서 얻은 C-설탕은 시럽과 혼합되어 마스퀴트 종자(seed)로 사용되어 공정의 시작으로 되돌아간다. 이 원심분리 단계에서 생성된 당밀은 최종 당밀 또는 블랙스트랩(blackstrap)이라고 불린다. 이는 약 1/3의 자당, 1/5의 환원당, 나머지는 회분, 유기 비당류 및 물을 함유하는 점성이 강한 물질이다. 최종 당밀은 가축 사료, 공업용 알코올, 효모 생산 등의 기초로 사용된다.
8. 백설탕 생산 (Plantation White Sugar)
제당 공장에서는 원당뿐만 아니라 백설탕(plantation white sugar)도 생산할 수 있다. 백설탕은 원당보다 더 높은 순도를 가지며, 탄산 처리 또는 아황산 처리를 통해 생산된다.[1]
플랜테이션 백설탕을 만드는 방법에는 탄산 처리와 아황산 처리가 있다. 탄산법으로 백설탕을 제조하려면 정제, 증발, 저장 단계에 변화가 필요하다.[1]
정제 단계에서 탄산화의 목적은 콜로이드 및 불용성 입자와 색소 물질과 같은 비당류 성분을 분리하는 것이다. 탄산화를 사용하는 경우 혼합 주스를 55°C로 가열하고 pH 10.5-11에 도달할 때까지 석회를 첨가한다. 다음으로, 이산화 탄소(CO2)를 첨가하고 주스를 압력 필터를 통과시킨다. 이로 인해 탄산 칼슘 진흙이 생성된다. 그런 다음 주스를 다시 55°C로 가열하고 pH 8.4-8.6에 도달할 때까지 석회와 CO2를 첨가한다. 이어서 두 번째 압력 여과를 수행한다.[1]
증발 단계가 끝나면 이산화 황(SO2)을 첨가하여 시럽의 pH를 7.0으로 낮춘다.[1]
설탕 공장에서는 탄산화가 널리 사용되지 않는다. 석회와 CO2가 대량으로 필요하고, 아황산 처리가 더 저렴하기 때문이다. 인도가 예외이다.[1]
제당소에서 백색 설탕을 만드는 데는 여러 가지 아황산 처리 방법을 사용할 수 있다. 아황산 처리 방법은 다음과 같다.[1]
- 냉산 황산 처리: 혼합 주스에 SO2를 첨가하여 pH를 3.8~4.2로 낮춘다. 그런 다음 석회를 첨가하여 pH를 7.2~7.4로 높인다. 다음으로 주스를 103°C~105°C로 가열한 후 청징기로 이동한다. 청징기에서 불순물이 침전되고, 그 결과물을 여과한다.
- 온산 황산 처리: 먼저 혼합 주스를 70°C로 가열한 다음 SO2를 첨가하여 pH를 3.8~4.2로 낮춘다. 그 다음 과정은 냉산 황산 처리와 동일하게 진행된다.
- 이중 석회 처리: 먼저 혼합 주스를 70°C로 가열하고 pH가 7.2~7.4에 도달할 때까지 석회를 첨가한다. 그런 다음 SO2를 첨가하여 pH를 5.4~5.6으로 낮춘다. 이제 두 번째 석회 부분을 첨가하여 다시 pH를 7.2~7.4에 도달시킨다. 이어서 주스를 103°C~105°C로 가열한 후 청징기로 이동한다.
백색 설탕의 증발 단계는 원당의 증발 단계와 동일하다. 마지막으로 이산화 황(SO2)을 첨가하여 시럽의 pH를 6.5에서 5.5로 낮춘다.[1]
증발 후 추가적인 정제 과정을 삽입할 수 있다. 이 하위 공정의 기본 단계는 인산, 계면활성제 및 인산염을 첨가한 다음 시럽을 가열하고 통기시키고 응집제를 첨가하는 것이다. 그런 다음 시럽을 특수 청징기로 이동한다.[1]
백색 설탕의 결정화 및 원심 분리 단계는 사용된 비등 시스템에 따라 다를 수 있다. 백색 설탕의 경우 일반적인 3단계 비등 시스템을 사용할 수 있다. 대안은 A당만 출하하는 것이다. B당은 용해되어 시럽으로 다시 공급되고, C당은 용해되거나 B당의 씨앗으로 사용된다.[1]
보관 시, 제당 백설탕은 원당보다 변질되기 쉽다. 탄산화 공정으로 생산된 설탕은 특히 색상 변화에 취약하다. 회분 함량 또한 변색에 영향을 미친다. 브라질에서는 최대 35°C~40°C의 온도에서 보관하고, 166 IU의 설탕을 생산하여 낮은 기준인 230 IU에 도달하기 전에 많은 색상을 잃을 수 있도록 함으로써 변색을 방지한다.[1]
9. 부산물 활용
제당 과정에서 발생하는 주요 부산물은 당밀과 사탕수수 찌꺼기이다. 당밀은 원심 분리 후 남은 모액으로, 가축 사료, 공업용 알코올, 효모 생산 등에 쓰인다.[1] 사탕수수 찌꺼기는 즙 추출 후 남는 섬유질로, 제당소 보일러 연료로 사용되어 열병합 발전을 통해 전기 에너지를 생산한다.[1] 남은 사탕수수 찌꺼기는 가축 사료, 제지, 판매용 전력 생산에도 활용된다.[1]
9. 1. 당밀 (Molasses)
원심 분리 과정을 거쳐 설탕 결정을 분리하고 남은 모액은 당밀로 저장된다. 당밀은 가축 사료, 공업용 알코올, 효모 생산 등에 사용된다.[1]9. 2. 사탕수수 찌꺼기 (Bagasse)
즙 추출 단계에서 남은 섬유질 고형물인 사탕수수 찌꺼기는 제당소의 증기 보일러 연료로 사용된다. 이 보일러는 고압 증기를 생성하며, 이 증기는 터빈을 통과하여 전기에너지(열병합 발전)를 생산한다. 터빈에서 배출된 증기는 다중 효과 증발 스테이션을 통과하고 결정화 단계의 진공 팬을 가열하는 데 사용되며 제당소의 다른 난방 용도로도 사용된다.[1]사탕수수 찌꺼기는 제당소를 에너지 자급자족 이상으로 만들며, 남은 사탕수수 찌꺼기는 가축 사료, 제지, 또는 판매용 전력 생산에 사용된다.[1]
10. 공장 자동화
다른 많은 산업과 마찬가지로, 최근 수십 년 동안 제당 공장에서도 공장 자동화가 널리 추진되어 왔다. 생산 공정은 일반적으로 중앙 공정 제어 시스템에 의해 제어되며, 이 시스템은 대부분의 기계 및 구성 요소를 직접 제어한다. 설탕 공장의 원심 분리기와 같은 특정 특수 기계의 경우 분산된 PLC가 사용된다. 이는 보안상의 이유도 있다.
11. 제당 공장의 역사
제당소는 12세기 아랍 이집트에서 유래했다.[1] 초기에는 수공업 방식인 트라피체가 있었으며, 이후 엔제뇨(engenho) 또는 ingenio|인헤니오es로 대체되었다.
19세기에는 풍력, 수력, 증기, 소와 노새 등 다양한 동력을 이용한 제당소가 운영되었다. 바베이도스에서는 풍력 제당소가 널리 사용되었는데, 이는 약 15마력의 힘을 낼 수 있었기 때문이다. 하지만 바람이 없을 때를 대비하여 우마 제당소도 함께 운영되었다. 제당 기계는 세 개의 수직 롤러로 구성되었으며, 중앙 롤러에 동력이 가해지면 톱니바퀴를 통해 다른 두 롤러가 회전하는 방식이었다.
자메이카의 우마 제당소는 보통 지름이 약 18.29m 이상인 둥근 덮개 건물이었다. 경목 기둥이나 석조 기둥이 지붕을 지탱했고, 지붕은 주로 나무 널빤지로 덮였다. 1820년대의 한 사례를 보면, 주요 롤러의 아래쪽 약 1.22m는 주철 케이스로 덮여 있었고, 중앙에는 갱목이 있었다. 이 갱목은 기름이 채워진 경화된 철 받침대 위에 놓인 경화된 철 조각 위에서 회전했다. 주철 케이스 위에는 톱니바퀴가 있었고, 그 위에는 버팀대로 고정된 두 개의 외부 롤러가 있었다. 주요 롤러는 원을 그리며 걷는 소에 연결된 긴 지렛대에 의해 구동되었다.
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