마이크로버블 기반 탄산 주입 공정을 통한 음료 제조공정의 에너지 효율화 연구 (Study on Energy Efficiency of Beverage Manufacturing Process through Ultrafine Bubble-based Carbonation Injection Process)

서지정보

· 발행기관 : 국제차세대융합기술학회
· 수록지 정보 : 차세대융합기술학회논문지 / 9권 / 4호 / 940 ~ 947페이지
· 저자명 : 신성욱, 유경선, 정재억

초록

본 연구는 음료 제조 시 필요한 냉각·온열 공정의 에너지 소비를 줄이기 위해, 기존 저온·중압(3 bar·4℃) 방식 대신 마이크로버블 기반 고압(6 bar) 탄산 주입 공정을 제안하였다. 짧은 노즐과 분산판을 갖춘 마이크로버블 생성기를 자체 제작하고, SUS 재질·펌프·송풍기 등을 최적화하여 고압에서도 균일한 기포 분산이 이루어지도록 설계하였다. 탄산 함유량 측정은 Anton Paar의 CarboQC at-line 장비를 활용하였으며, 반응 시간이 5분 이내임에도 상온(약 28℃)에서 목표 탄산화도(7.8 g/L)를 안정적으로 달성함을 확인하였다. 마이크로버블 탄산 주입 공정 적용을 통한 냉각과 열처리 공정 내 에너지 소비량 감소를 수식적으로 분석하였으며, 이를 통한 탄소배출 저감량을 수식 연간 약 34,000톤의 CO₂를 저감할 수 있음을 확인하였다. 공정내 고압 유지를 위한 압축 펌프 에너지사용량 증가 영향은 0.2% 이하 수준으로 미미하여 본 연구에서의 에너지 효율 및 온실가스 감축 측면에서 타당함을 확인하였다. 이는 음료 산업에서의 경제성·친환경성 요구를 동시에 충족시키는 대안이 될 수 있음을 시사한다.

영어초록

This study proposes a ultrafine bubble-based high-pressure (6 bar) carbonation injection process instead of the conventional low-temperature, medium-pressure (3 bar, 4℃) method to reduce energy consumption in the cooling and heating processes required for beverage production. A ultrafine bubble generator equipped with a short nozzle and a diffuser plate was fabricated in-house, and materials such as SUS, pumps, and blowers were optimized to ensure stable bubble dispersion even under high-pressure conditions. Using Anton Paar’s CarboQC at-line device for carbonation measurement, it was confirmed that the target carbonation level (7.8 g/L) could be stably achieved at room temperature (approximately 28℃) within five minutes of reaction time. A formula-based analysis of reduced energy consumption in cooling and thermal treatment processes was conducted when applying the ultrafine bubble carbonation injection method, and the results indicate an annual reduction of approximately 34,000 tons of CO2 emissions. The increase in energy consumption due to the compression pump for maintaining high pressure was found to be below 0.2%, confirming the feasibility of this approach in terms of energy efficiency and greenhouse gas reduction. These findings suggest that this method could serve as an alternative that satisfies both economic and eco-friendly requirements in the beverage industry.

참고자료

· 없음