해외 수처리기술 최신 동향

음식료품 제조 산업에 분리·여과장치 적용 ‘각광’

글로벌 시장 규모 올해 37억 달러 예측…급성장 전망
안전성에 대한 관심 고조 원인…제조 공정상 변화 미미해 높은 순도 유지 

기계적 분리·여과장치의 사용은 먹는 물 생산 외에 음식료품 제조 과정에서도 핵심적인 역할을 한다. 액상 제품 제조의 품질 보증을 위한 역할을 하기도 하며, 일부는 공정상의 원재료뿐만 아니라 완제품의 유해한 오염물질을 제거하는 기능을 수행한다. 또한, 폐 찌꺼기의 재활용 가능성을 증대시키는 역할을 수행한다. 세계적인 물 전문가인 켄 서덜랜드(Ken Sutherland) 박사는 『Filtration + Separation』 3∼4월호에 ‘음식료품 제조 분야 분리·여과 공정(Separation in the food and beverage sector)’에 대해 기고, 음식료품 제조 과정에서의 분리 및 여과 공정 동향을 소개했다. 그 내용을 번역했다. [번역 = 김덕연 본지 편집위원]

시장의 글로벌 다양화(Wide variety)

음식료품 분야에서는 액상 제품의 생산 및 제조를 포함한 다양한 종류의 제조 과정을 거치며, 이 과정에서 여러 종류의 필터링 여과 공정을 필요로 한다. 그러나 제조 과정에서 기체상의 여과 기회는 거의 발생되지 않는다. 따라서 음식료품 제조 과정에서의 여과는 위생안전 처리의 요구사항, 세척(clean-in-place) 및 스팀살균 능력 제공 등과 같은 주로 액상 부유물질의 처리에 국한되는 것이 일반적이다. 

여과 및 분리 장치에 대한 글로벌 시장의 한 분야로 음식료품 분야는 양적으로 매우 규모가 큰 편에 속하나, 한편으로는 매우 특수한 상황에 있으며 시장의 요구사항 준수를 위해 적용되는 시스템 장치의 형태에 따라 매우 다양하게 변화한다. 구조적으로 소매상 중심의 시장 규모로 인해 제품의 종류는 매우 다양하다.

예를 들면, 일정 지역 내에서도 종교적·윤리적으로 서로 다른 요구사항을 만족시켜야 하는 필요성에 의해 그 규모는 몇 배 더 증가되기도 한다. 이러한 음식료품 분야에 한정된 여과 및 분리 장치의 글로벌 시장 규모는 올해 37억 달러로 예측된다. 이는 세계 여과 및 분리장치 전체 시장의 7.5% 정도를 차지하는 수준이다.

음식료품 제조 공정에서의 기술은 매우 성숙된 기술이다. 이는 경제성장률(GDP)의 변화 추세와 거의 같은 수준으로 성장률 곡선이 매우 완만한 추세를 기록하고 있다. 그러나 이와 반대로 일부 괄목할만한 개발이 진행되고 있다. 신규 혹은 교체 목적으로 생산라인의 건설이 전 세계 여러 지역에서 규칙적으로 일어나고 있다. 특히, 아시아 지역에서는 커다란 성장을 보이고 있다. 인도 및 중국에서의 커다란 경제성장 및 인도네시아의 빠른 경제 활성화 정책 등이 그 예이다. 높은 생활수준으로의 급격한 이동현상으로 커다란 시장 형성이 예상되고 있다.

인구증가 따른 공급 확대 및 고품질 음식료품 수요 증가(Expanding populations)

날로 증가하고 있는 인구에 음식료품을 공급해야 하는 필요성과 일부 높은 수준의 먹을거리를 원하는 주민들의 요구 증가는 글로벌 음·식료품 시장 성장의 커다란 동력원이 되고 있다. 이에 따라 음식료품 제조 공정에 사용되는 설비에 대한 성장도 커지고 있다. 보다 훌륭한 품질에 대한 연구 노력은 주민들의 입맛 수준이 높아진데 따른 자연적인 현상으로, 보다 매력적인 제품을 공급해야 하는 당위성에 직면하게 된다.

높은 수준의 입맛을 좌우할 수 있는 인자로는 제품 자체가 가지는 향기 혹은 맛에 있다. 이러한 성질은 제조 공정상에서 변화가 일어나지 않아야 한다. 일반적으로 원재료이든 최종 제품이든 먹을거리의 제품은 제조 과정에서 쉽게 성상과 성질이 변화하기도 하는데 지금 언급하고 있는 여과 공정은 일반 상온과 거의 같은 온도에서 처리 및 가공되므로 변화의 정도가 미미한 장점을 갖는다.

음식료품 제조 과정에서 높은 순도를 유지하는 것은 제품 품질을 좌우하는 또 다른 인자로서, 이러한 목적으로 여과 설비의 사용에 의한 처리를 필요로 한다. 최근 유기농산물 재배와 생산에 대한 대중의 관심 증가 현상은 음식료품의 안전성에 대한 지대한 관심을 이끌고 있다.

The need to supply food and beverages for expanding populations, desirous of eating at increasingly higher standards, provides the prime driver for the food and beverage market globally, in turn driving the demand for food and beverage processing equipment, at a rate at least keeping up with the general economic growth of the world, and probably mostly exceeding it. The search for better quality is a natural part of increasingly higher eating standards, which can be produced by delivering a more attractive product.
One of the factors leading to higher added-value is the flavour of the product, which should obviously be retained (if not heightened) during the processing activities. Foodstuffs, whether raw materials or final products, are easily denatured during processing, so that a filtration process is advantageous because it usually occurs at little higher than room temperature.
Higher purity at all stages of food and beverage production is another factor in product quality, which offers further scope for the application of filtration and related equipment. The rise in popularity of organic farming and food production has been promoted by concerns over safety of ‘processed foods’ (although not without some doubts as to the actual reality of benefits with organic products).

음식료품의 제조공정(Food and beverage industries)

음식료품 분야에서의 생산 제조 공정은 다음과 같다.
- 정육, 어류 및 그들의 가공식품 제조 공정(동물성 유지 제외)
- 과일, 야채 및 그들의 가공식품 제조공정(식물성 유지 및 주스 제품 제외)
- 동물성 유지 제품 및 야채에 의한 식물성 유지 제품의 제조공정
- 우유 및 낙농제품(치즈, 요구르트 등)의 생산
- 곡물·옥수수의 밀링 및 시리알·전분 제품의 생산
- 가축사료의 생산
- 빵, 설탕, 코코아, 과자 등의 생산
- 차와 커피 등의 제조공정
- 음료제품(알코올 함유 및 알코올 비함유), 과일·채소 주스 및 소프트드링크 생산
- 미네랄 함유된 물의 생산

위와 같은 모든 제조 공정에서 여과·침전·분리 공정 처리가 이루어지며, 이중 일부 제조공정에서는 이들이 매우 중요한 핵심적인 역할을 한다. 다양한 제조 공정에서 거의 모든 종류의 분리장치 설비가 사용되며 개별적으로 선별되어 사용된다. 한편, 특수공정용 필터 및 원심분리장치가 원재료의 준비 과정에서 생산 공정 자체나 제품의 청정화를 목적으로, 또한 폐 찌꺼기의 처리 및 재활용 용도의 경우에 사용되기도 한다.

음식료품 제조 산업은 대형회사가 점유하고 있다. 네슬레(Nestle)는 가장 큰 식료품 회사이며, 다음으로 유니레버(Unilever), 카길(Cargill) 등이 뒤를 잇고 있다. 소프트드링크 제품은 펩시와 코카콜라가 시장을 주도하고 있으며, 주정 분야의 시장을 주도하는 회사로는 ABInBev사가 있다. 미국의 Constellation Brand는 호주의 Hardy사와의 합병으로 세계에서 가장 큰 와인 제조회사가 되었다.

Of these ten sub-sectors, the process use of filtration and sedimentation is found in all of them, and is very important to some of them. Almost all kinds of separation equipment can be found in use in this sector. (The distinction is made here between process filters, those that are an essential part of the production process, and which are the intended subject of this article, and utility filters, which are involved in services provided to most production processes, such as pneumatic or hydraulic systems, and which are not intentionally covered, because they are very largely the same in whichever industry they are found.) The process filters and centrifuges are used in the preparation of ingredients, in the production process itself, in the purification of products, and in the recycling or treatment of waste streams.
The industry has a number of large companies, with a host of smaller ones. Nestle is by far the largest of the food producers, the next largest being Unilever, closely followed by Cargill, the largest private company in the USA. This comparison of size is complicated by the other facets of business, as in the case of Unilever, which is also large in the household products business. The leading soft drink companies are Pepsico and Coca Cola, in which the corporate boundaries are further blurred by their being food manufacturers of considerable size. The leading brewer, after much merging activity, is ABInBev, while the merger of Constellation Brands (of the USA) with Hardy (of Australia) has formed the world’s largest wine company.

거대한 슈퍼마켓의 자체브랜드 상업화 추진(Giant supermarkets) 

음식료품 가공 산업에서 가장 중요한 특성 중 하나는 가공업체가 거대한 슈퍼마켓이나 일부 소매상 그룹 내에 관계회사 형태로 존재하고 있는 것으로, 이러한 회사의 사례로 글로벌 음식료품을 취급하는 월마트(WalMart)가 있다. 이러한 형태로 많은 소매상 그룹이 음식료품 가공 사업체로 전환하거나 자체 브랜드의 제품 생산으로 사업 다각화를 추진하고 있다.

음식료품 산업의 전체 부문에서 가장 빠르게 성장하고 있는 분야는 미네랄워터와 소프트드링크 생산 분야로, 미세 여과 공정의 요구사항에 대한 시장 규모는 제품 생산량에 따른 규모의 경제이다. 국가별로는 커다란 불균형이 존재하며 기후에 따라서 혹은 생활 수준에 따라 변화가 발생된다. 이탈리아의 음료수 소비량은 1인당 연간 155L이나 미국은 90L, 영국은 단지 25L만 소비한다. 특히 일본은 10L 이하를 소비하고 있다. 모든 국가들이 이탈리아 수준으로 소비량이 증가되면 여과·분리 및 폴리싱 관련 설비의 시장은 매우 크게 성장할 것으로 전망된다.

음식료품 제조 과정 및 완제품의 보관 과정에서 미생물 공격에 취약한 면이 있다. 다른 건강상의 문제가 발생될 수 있는 가능성이 많은 관계로 음식료품 분야는 매우 강력한 환경 규제에 당면하고 있다. 영국 FSA(Food Standard Agency), 미국 FDA(Food and Drug Administration), EU 연합 제정의 유럽 표준(European Standards) 및 UN 산하 FAO(국제식량농업기구) 및 WHO 기관 주관의 Food Standards Programme 등 국가적 조직체에 의한 제반 규정이 존재하고 있다.

그러나 이러한 규정의 남발은 음식료품 제조 산업의 발전에 있어 저해요인으로 작용하고 있다. 따라서 전 세계적으로 적용되는 사용 가능한 표준 제정이 필요하게 되었으며, 최근 HACCP(Hazard Analysis and Critical Control Points) 프로그램은 안전과 위생 측면에서 음식료품의 가장 유효한 글로벌 표준에 근접하고 있다.

분리 및 여과 장치의 적용(Equipment applications) 

음식료품 산업 분야의 식품 제조 과정에서 청정하고 신선하게 경작된 농산물과 안전하게 도살된 가금류 등이 공급되어야 한다. 적절한 수명이 보장되고 매력적인 소비자 지향의 제품에 이들이 사용되어야 하는 아주 일반적인 규정이 적용된다. 마찬가지로 주류 및 음료수 제조 과정과 채소 및 과일의 혼합 과정에서 청정하고 신선한 물이 사용되며 이러한 청정수가 다양한 종류의 음료수 제조에 적용되어야 한다.

분리 기능의 설비는 2가지 중요한 기능을 가지는데 하나는 제조 과정에서 유해한 미생물들이 발생되지 않도록 유지해야 하며 또 다른 하나는 사용되는 원재료 물질 또한 가장 좋은 위생적인 상태로 준비되어 제조 공정에 투입되어야 한다. 이 분야에서의 위생적인 처리를 위하여 제약 분야 및 의료·건강 분야에 적용되는 것과 유사한 정도의 설비가 사용돼야 한다.

이러한 적용에 사용되는 분리용 설비는 대부분 HEPA 혹은 ULPA 수준의 매우 미세한 카트리지 필터나 멤브레인 기술의 필터 등이 될 수 있다. 음식료품 산업 분야에 사용되는 분리 기능 설비의 가장 중요한 특성 중 하나는 잦은 세정에서 운전이 효율적으로 이루어질 수 있는 특성을 가져야 한다는 점이다. 접촉이 이루어지는 표면은 폴리싱 처리된 스테인리스강 제품이어야 하며 전체 설비가 세정작업 과정에서 용이하게 세척 및 세정이 가능해야 한다.

세정 과정에서 세정 용액의 충분한 설비 내 체류가 이루어져야 한다. 특히 시스템 내의 특정부분(square corners, dead ends, threaded joints 부분)은 공정에서 사용되는 원재료와 접촉이 최소가 되어야 하며 이들 표면은 경사구조로 되어 잔존물 및 처리용액 등이 쉽게 배출이 되어야 한다. 한편, 염분 농도가 있는 공정용 원재료를 사용할 때는 특별한 주의가 필요하며 이들 물질은 스테인리스강 자재에 손상을 줄 수 있으므로 특수 라이닝된 재질의 설비 사용이 더욱 요구된다.

The simple definition of the whole food sector is that food processing takes clean, freshly harvested crops or freshly butchered animals, and uses them to produce attractive, marketable food products, with an adequate shelf-life. Similarly beverage processing takes clean fresh water and, with appropriate admixture of fruit and vegetable components, uses it to make a wide range of drinks products with global appeal.
Separation equipment has two primary functions within these tasks: to keep the processes, food or beverage, as free as possible from harmful micro-organisms, and to prepare the raw ingredients in their best state to produce the right formulation for inclusion in a final product or for subsequent processing. The hygiene task requires similar kinds of equipment to that employed in the pharmaceutical sector, or in medical and health processing: the major problem being to prevent entrance of micro-organisms into the processing zones or packaging areas.
The separation equipment used for this purpose will mostly be very fine cartridge filters in HEPA or ULPA grades, or membrane filters. It follows that one of the most important characteristics of the separation equipment used in the food and beverage industries is the need for it to be able to operate in a state of scrupulous cleanliness. Contact surfaces will normally be of polished stainless steel, and the whole equipment should be easily cleaned, preferably by some kind of clean-in-place process.
The cleaning processes must allow sufficient residence time for the solutions to do their job. Square corners, dead ends and threaded joints should be avoided in contact with process materials, and surfaces should be sloped so that liquids may drain from them. Care must be exercised for process materials that involve salt solutions, as these can attack stainless steel, so glass-lined equipment may be preferred. To offset this need for high quality materials in food and beverage processing, it is mostly true that equipment for this sector does not have to withstand the severe processing conditions found in some chemical or pharmaceutical operations. Indeed the most severe operating parameters may well be those involved in steam sterilization or an aggressive clean-in-place solution.

분리 및 여과 장치에 사용되는 필터 메디아(High specification filter media) 

이제까지 언급한 보호목적의 기능으로 필터 장치는 비교적 간단한 구조의 장치가 사용되며 시스템 장치 내에는 실제적인 분리 및 여과 성능을 갖는 특수한 사양의 필터 메디아가 핵심기술로 내장되어 있다. 이와 대조적으로 음식료품 분야의 분리 및 여과 공정에서 모든 형태의 필터, 원심장치 혹은 침전장치 등이 전 세계적으로 광범위하게 사용되고 있다. 음·식료 분야에 적용되는 제조 공정에 따라 사용되는 필터 장치로는 다음과 같다.

- 주방용 소금 생산 과정에서 basket centrifuge 사용
- 우유로부터 크림성분 분리목적으로 disc centrifuge 사용
- 음·식료품 산업에서 첨가제로 사용되도록 멤브레인에 의한 고도정수처리(purification)
- sugar juice 분리과정에서 rotary vacuum drum filter의 사용
- 하이드로 사이클론(hydrocyclone) 기술에 의한 전분물질의 청정화(purification)
- 채소 열매로부터 얻은 유지지방의 정제(refining), tubular 혹은 disc centrifuge 장치에서 물로 세척한 후 vacuum filter에 의하여 winterising(de-waxing) 실시
- 양조장 및 증류소의 분리 작업 중에 filter press 혹은 decanter 장비에 의한 grains 물질의 탈수화(dewatering) 분리와 sheet filter에 의한 제품의 분리에 사용

음식료품 산업에서 고농도 액상 폐수 찌꺼기 처리는 모든 영역의 처리를 필요로 한다. 즉, lamella separator에서 오일과 그리스의 분리 이후 대형 침전조에서 1차 침전처리, 그리고 폭기조에서 2차 활성화 처리 등을 거치게 된다. 마지막으로 biological 혹은 MF·UF 멤브레인 사용한 3차 처리로 마무리된다. 멤브레인에 의한 처리는 MBR 기술을 사용한 방법이 더욱 광범위하게 활성화되고 있다.
 
The protective function just described employs relatively simple filters, which rely on high-specification filter media for their performance. By contrast, it is probably true that every possible type of filter, centrifuge or sedimentation system is in use somewhere in the world on some process within the food and beverage sector.
Some characteristic food and beverage applications include:
- the use of basket centrifuges in the production of table salt;
- the separation of cream from milk in a disc centrifuge. for which this type of centrifuge was invented;
- the further purification of water by membranes to serve as a food or beverage ingredient;
- the use of a rotary vacuum drum filter in the separation of sugar juice from settled-out muds, followed later by a ‘sugar centrifugal’ to recover the pure crystallised product;
- the purification of starch in batteries of hydrocyclones, which provides one of the key uses of the hydrocylone;
- the refining of vegetable seed oils, after washing with water, in an array of tubular or disc centrifuges, followed, usually, by winterising (de-waxing) in vacuum filters;
- among many separation activities in a brewery or a distillery, the dewatering of separated grains in a filter press or decanter centrifuge, and the clarification of the product in a sheet filter.

And, of course, the need in most food and beverage factories for the treatment of often very concentrated liquid wastes, requiring the full gamut of treatment stages, from oil and grease separation (in a lamellar separator), followed by primary settlement (in large sedimentation tanks), then secondary activated treatment (in aerated tanks) with separation of the surplus sludge in a filter or another settlement tank. The process will then finish with tertiary treatment, possibly a biological one, or, increasingly commonly, a membrane micro- or ultrafiltration stage, to deliver recycled water of a similar standard to the fresh ingredient water. The secondary stage is increasingly being undertaken in a membrane bioreactor.

시장의 개발(Market developments) 

기초적인 음식료품 제조용으로 시장 성장을 주도하는 주요한 인자는 인구의 증가, 높은 수준의 음식료품 공급에 대한 기대감(주로 개발도상국에 한함), 제품 순도의 지속적 향상에 대한 요구 등에 기인하고 있다. 선진국에서의 음식료 제품 제조에 영향을 미치는 이러한 개발은 멀지 않은 장래에 세계적으로 확산될 것으로 예상이 되는데 이러한 개발은 다음과 같다.

-개인 욕구 증가에 따른 ‘기능성 식품(functional foods)’ 혹은 ‘에너지 드링크(energy      drinks)’ 등의 출현
- 부정확한 다이어트로 인체 내부에 콜레스테롤이 축적, 즉 알츠하이머병의 원인이 될 수 있다는 인식의 확산
- 기능이 불확실하거나 검증이 안 된 첨가제의 사용에 대한 의구심의 증가
- 간편식이나 스낵류 음식의 소비량 급격한 증가, 모든 연령대 비만의 원인이 될 수 있다.
- 아이들의 효과적인 다이어트 제품에 대한 시장에서의 의구심에 대한 급속한 증가

식품 제조에서 아직은 중요한 개발로 충분히 인정되지 않았지만 가장 중요한 개발로는 천연재료의 사용과 solvent 재료의 추출 목적으로 supercritical fluids 사용을 들 수 있다. 음식료 제품 분야에서 이러한 사용의 가장 좋은 사례는 supercritical carbon dioxide를 사용하여 커피열매로부터 카페인을 제거하는 것이다.
이는 이 기술의 직접적인 적용으로 카페인 제거에 사용되는 독성의 solvent를 쉽게 얻을 수 있는 carbon dioxide로 바꿀 수 있는 장점을 가지고 일련의 증발공정 단계에서 쉽게 제거된다. 이 경우 또한 여과 공정이 포함된다.

The main factors driving market growth that have already been mentioned for the basic food and beverage supply sector, include population growth, a search for higher standards of food and beverage supply (especially in developing countries), and a continual rise in required product purity levels.
Some other developments that are mainly affecting the food and beverage manufacturing sector in developed markets. and therefore can be expected to spread to the whole world in the not too distant future. are:
- the appearance of ‘functional’ foods and ‘energy’ drinks to meet real, or apparent, needs for personal improvement;
- the growing realization that cholesterol accumulation in the body may be caused by an incorrect diet, as might the onset of Alzheimer’s disease;
- the continuing concern over the use of additives whose function is uncertain, but fiercely contested. and are easily added during processing;
- the rapid growth in consumption of convenience and snack foods, leading perhaps to obesity in all age groups; and
- the equally rapid growth in concern in the marketplace over better diets, especially for children, and the provision of foods to match, such as the current excitement over spelt and quinoa.

An important development in the processing of foodstuffs, which is still not yet fully accepted as the major step it surely will be, is the use of supercritical fluids for the solvent extraction of components from natural materials. In the food and beverage sector the best example of its use is in the removal of caffeine from coffee beans by the use of supercritical carbon dioxide.
This is a fairly straightforward application of the technique, with the advantage of replacing the toxic solvents first used for decaffeination by the readily available carbon dioxide, which is easy to remove in a subsequent evaporation step, which can also involve filtration.

향후 전망(long-term prospects) 

유전자변형의 식품의 시장 출현은 식료품 제조의 가장 큰 개발로 인정될 수 있다. 그러나 최근 명백한 문제점으로 부상하게 된 사항은 식료품으로의 수요와 자원으로서의 연료용 농작물 수요 사이에 발생되고 있는 분쟁의 씨앗이다. 이는 글로벌 경고에 대한 주요한 원인으로 대두되고 있는 화석연료에 대한 대안으로 대체에너지 자원을 찾고 있는 과정에서 발생되고 있다.

지구상의 탄소중립(carbon-neutral) 시스템 구조에서 가장 명백한 사실은 식료품 경작에 적합하지 않은 토지에서 에너지 생산 목적으로 biomass용 농작물의 경작이 증가하고 있는 사실이다. 이러한 문제는 현재 정치적인 사안으로 고려되고 있으나 결국에는 인간의 먹거리에 영향을 미치게 될 것이며 이로서 아마도 공정상의 폐수를 연료로 사용하는 당위성이 높아질 것이다.

음식물 찌꺼기에 의한 문제점은 또 다른 해결책을 제공할 수 있다. 식료품 부족에 대한 여러 가지 논쟁으로 인간들은 음식을 매우 낭비하여 소비하는 편이다. 미국 등 선진국에서는 농장에서 생산되는 식료품의 거의 100%가 절대적으로 소비자의 밥상에 오르는 최선의 방법을 추구하고 있으나 이들을 제외한 대부분의 국가들은 50% 정도만이 소비자에게 도달되며 나머지들은 거의 해충, 박테리아, 기후변화 등으로 손실되고 있다. 이러한 손실을 회수할 수 있는 길이 열리게 되면 식료품의 궁핍으로 인한 문제점은 어느 정도 해소될 수 있다.

In the long-term, the arrival of genetically modified food products onto the market may be the largest development in food provision for some time (or its largest problem, depending upon one’s point of view. science has some way to go yet to justify the wilder claims of either view). A problem that has only recently become apparent is the conflict between the demands for food and fuel crops as resources.
This has come from the perceived need to find alternative energy sources to the fossil fuels now accepted as a prime cause of global warming. Among the carbon-neutral systems (ie, those consuming as much carbon from the atmosphere as will subsequently be released in energy generation), the most obvious is the growing of burnable ‘biomass’ crops for energy production. on land which cannot then be used for food crops. Whilst this problem is currently still largely a matter of political consideration, it will eventually impact on the food sector, perhaps first in requiring better use of processing wastes as fuels.
The question of food wastes has another potential solution: for all of its talk of food shortages, humankind is extremely wasteful of the food that it does produce. It is said that, in the USA, food processing has reached the point where virtually 100% of the food produced at the farm finds its way to the consumer’s table, whereas in most of the rest of the world as much as 50% or more never reaches the consumer because it is lost to insects, bacteria, humidity, etc. and probably during processing. If this loss could be halved, then food poverty would be much less of a problem.

[『워터저널』 2014년 8월호에 게재]