KR101854224B1 - 정삼투 공정을 이용한 탄산음료수 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄산음료수 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원수를 다층여과층으로 여과하는 제1단계, 다층여과층을 통과한 여과수를 정밀여과막 또는 한외여과막으로 여과하여 희석용액을 준비하는 제2단계, 희석용액과 유도용액을 정삼투막 모듈로 공급하여 희석된 유도용액을 얻는 제3단계 및 희석용액의 농축수를 정밀여과막 또는 한외여과막과 연결되는 희석용액 농축수 순환라인으로 순환시키는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄산음료수의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

정삼투 공정을 이용한 탄산음료수 제조방법 {Method of carbonated soft drink by using Forward Osmosis}
본 발명은 탄산음료수 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 정삼투막 공정에서 하천수, 지하수 또는 하수를 희석용액으로 사용하고, 식품 및/또는 식품첨가물이 고농도로 함유된 함유액을 유도용액으로 사용하여 희석시킨 후 탄산가스를 주입하여 탄산음료수를 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 음료수란 갈증을 풀거나 맛을 즐기기 위하여 마시는 액체로서, 과실채소류 음료, 탄산 음료류, 기타음료 등으로 대별할 수 있다.
과실채소류 음료는 과실 또는 채소를 주원료로 하여 가공한 것으로서 농축과실즙, 농축채소즙, 농축과채즙, 과실주스, 과채주스, 과실음료, 채소음료, 과채음료를 말하며 일반적으로는 ‘주스’라고 불리운다. 탄산음료는 탄산가스를 함유하여 마시는 것을 목적으로 하는 탄산음료, 탄산수, 착향 탄산음료를 말하여 사이다, 콜라 등이 이에 해당된다.
기타음료로는 커피, 기능성 음료, 스포츠 음료, 다류 등이 포함되며, 이들 음료들은 소비자 취향이나 시대가 변함에 따라 그 원료들도 갈수록 다양해지고 있는 상황이다.
상기와 같은 음료수 중에서, 탄산음료는 먹는 물에 식품 또는 식품첨가물 등을 가한 것에 탄산가스를 주입한 것으로 정의하고 있다.
탄산가스의 압력이 0.5kg/㎠이상인 탄산음료는 탄산가스 외에도 당분 및 각종 식품첨가물이 일정량 함유되어 있고, 이러한 탄산음료는 먹는 물에 당분 및 각종 식품첨가물을 첨가한 후, 탄산가스를 주입하여 제조하는 것이 일반적이다. 따라서 상기와 같은 탄산 음료수를 제조하기 위해서는 먹는 물 제조공정과 당분 및 각종 식품첨가물을 첨가하는 공정을 별도로 준비하여야 하므로, 이에 따라 장치가 복잡할 뿐만 아니라 제조공정이 번거롭다는 문제점이 있다.
한편, 해수를 이용하여 먹는 물을 제조하는 기술로서 정삼투막을 이용하는 기술이 최근 들어 주목을 받고 있다. 정삼투막 기술은 2009년 영국의 Global Water Intelligence사가 지속 가능한 10대 첨단 수처리 기술로 선정하였으며, 삼투압을 이용하는 담수화 공정으로 쉽게 분리가 가능한 고농도의 드로우 용액을 투입하여 삼투압만으로 염분을 제거하기 때문에 운전에 필요한 수리학적 압력이 낮거나 적고, 다양한 오염물질을 제거할 수 있으며, 역삼투(RO)에 비하여 막오염이 발생이 적다는 것을 장점으로 들 수 있다.
한국공개특허공보 제2015-0095323호 한국공개특허공보 제2011-0121061호 한국공개특허공보 제2011-0072221호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 물속에 포함되어 있는 각종 오염물질을 제거하는 먹는 물 제조공정과 식품 및/또는 식품첨가물을 포함시키는 공정을 동시에 실시함으로써, 탄산 음료수의 제조공정을 간소화시킬 수 있는 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 탄산음료수 제조방법은, 정삼투 여과공정에서 식품 및/또는 식품첨가물이 함유된 유도용액(710)으로부터 제조하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 탄산음료수 제조방법은, 원수(110)를 다층여과층(210)으로 여과하는 제1단계, 다층여과층(210)을 통과한 여과수(310)를 정밀여과막 또는 한외여과막(400)으로 여과하여 희석용액(510)을 준비하는 제2단계, 희석용액(510)과 유도용액(710)을 정삼투막 모듈(600)로 공급하여 희석된 유도용액(810)을 얻는 제3단계 및 희석용액의 농축수를 정밀여과막 또는 한외여과막(400)과 연결되는 희석용액 농축수 순환라인(640)으로 순환시키는 제4단계를 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 탄산음료수 제조 방법에서, 원수(110)는 지하수, 하천수 또는 해수 중 어느 하나 이상일 수 있다.
또한 본 발명의 탄산음료수 제조 방법에서는 희석된 유도용액(810)을 용기에 주입하는 제5단계 및 탄산가스를 주입한 후 밀봉하는 제6단계를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 탄산음료수 제조 방법에서는, 상기 유도용액(710)은 산미료, 향료, 착색료, 또는 과즙 중 어느 하나 이상의 성분을 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 탄산음료수 제조방법에서는, 희석된 유도용액(810)이 주입된 용기를 살균하는 제7단계를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명에서는 상기 제조방법들을 통하여 제조된 탄산음료수를 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 탄산음료수 제조방법에 의하면, 지하수, 하천수 또는 해수를 희석용액으로 사용하고, 식품 및/또는 식품첨가물이 고농도로 함유된 유도용액을 정삼투막으로 공급함으로써, 탄산음료수의 원료에 해당되는 희석된 유도용액을 얻을 수 있어 탄산 음료수의 제조공정이 간단할 뿐만 아니라 제조시간을 절약할 수 있다는 효과가 있다.
또한 본 발명의 탄산음료수 제조방법에서는, 정삼투막 모듈로부터 배출되는 희석용액 농축수를 정밀여과막이나 한외여과막으로 바로 순환 공급시키기 때문에, 희석용액 농축수가 가지고 있는 구동력을 그대로 활용할 수 있어 가압에 필요한 에너지를 절약할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄산음료수 제조장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄산음료수 제조방법의 구성도이다.
이하, 본 발명에 따른 정삼투 여과공정에서 식품 및/또는 식품첨가물이 고농도로 함유된 유도용액을 이용하여 탄산음료수를 제조하는 방법에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
본 출원에서 “포함한다”, “가지다” 또는 “구비하다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄산음료수 제조장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄산음료수 제조방법의 구성도이다.
도 1 및 2를 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄산음료수 제조방법은, 원수(110)를 다층여과층(210)으로 여과하는 제1단계, 다층여과층(210)을 통과한 여과수(310)를 정밀여과막 또는 한외여과막(400)으로 여과하는 제2단계, 희석용액(510)과 유도용액(710)을 정삼투막 모듈(600)로 공급하여 유도용액의 식품 및/또는 식품첨가물의 농도를 낮추는 제3단계, 희석용액의 농축수를 정밀여과막 또는 한외여과막으로 연결되는 희석용액 농축수 순환라인(640)으로 순환시키는 제4단계, 식품 및/또는 식품첨가물의 농도가 낮아진 희석된 유도용액(810)을 용기에 주입하는 제5단계, 탄산가스를 주입한 후 밀봉하는 제6단계 및 탄산가스를 주입하고 밀봉한 용기를 살균하는 제7단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명에서의 희석용액(510)은 유도용액(710)보다 식품 및/또는 식품첨가물의 농도가 낮은 용액을 의미한다. 이러한 희석용액(510)으로는 유도용액을 희석하여 최종적으로 탄산음료수를 제공할 수 있다면 특별히 제한하지 않지만, 바람직하게는 유기물 및/또는 탁도 유발물질 등의 오염물질을 함유하고 있는 지하수, 하천수 또는 해수인 것이 바람직하다.
본 발명의 가장 큰 특징은 물속에 포함되어 있는 각종 오염물질의 제거와 식품 및/또는 식품첨가물이 함유된 탄산음료수 원료를 단일 제조 공정으로도 구현가능하다는 점이다. 즉, 전술한 바와 같이, 종래 탄산음료수 제조공정에서는 원수에 포함된 각종 오염물질을 제거하여 먹는 물, 즉 증류수나 수돗물을 준비하고, 여기에 소정농도에 해당되도록 식품 및/또는 식품첨가물을 첨가하여 제조하였기 때문에, 공정이 복잡할 뿐만 아니라 긴 제조시간이 필요하였다.
그러나 본 발명에서는 지하수, 하천수 또는 해수를 희석용액으로 사용하면서, 식품 및/또는 식품첨가물이 고농도로 함유된 함유액을 유도용액으로 사용하기 때문에, 희석용액에 포함된 오염물질의 제거와 식품 및/또는 식품첨가물이 함유된 탄산음료수 제조용 원료를 하나의 공정으로도 구현이 가능하다.
여기서, 식품 및/또는 식품첨가물이란 구연산, 주석산, 인산 등과 같은 산미료, 향료, 착색료 또는 과즙을 의미하는 것으로, 탄산음료수에 첨가될 수 있다면 특별히 제한하지 않는다.
상기와 같은 희석용액(510)은 필요에 따라 다층여과층(210)으로 여과시켜 탁도유발물질 및/또는 유기 오염물질을 제거하는 단계를 실시할 수 있다. 정삼투막(610)을 포함하여 분리막을 이용하는 여과공정에서는 여과시간 또는 누적 투과수량이 증가함에 따라 각종 오염물질이 막 표면이나 세공에 부착 또는 흡착하여 막의 투과성능이 저하되는 막 파울링(Membrane Fouling)이 발생하는 것이 일반적이다. 이러한 막 파울링에 의하여 막투과성능이 저하되면 화학약품을 사용하여 세척하거나 막을 교체하여야 하므로, 이에 따른 유지보수비용이나 교체비용이 부가적으로 필요하게 되므로 최대한 막 파울링이 진행되지 않도록 운전하는 것이 매우 중요하다.
따라서 희석용액(510)으로 사용할 원수에 탁도 유발물질이나 유기물 등 막 파울링 유발물질들이 과다하게 포함되어 있는 경우에는 이러한 물질들을 제거하기 위하여 다층여과층(210)으로 통과시켜 오염물질을 제거하는 것이 바람직하다.
여기서, 다층여과층(210)으로서는 비중이 상이한 2종류 이상의 모래가 충진된 모래여과층, 모래와 안트라사이트가 함께 충진된 모래/안트라사이트 여과층, 비중이 상이하거나 입경의 분포가 상이한 2종류 이상의 활성탄이 충진된 활성탄여과층을 사용할 수 있으나, 이에 제한하지 않는다.
상기와 같은 다층여과층으로 원수를 통과시키면 원수에 포함되어 있는 수 ㎜에서 수 ㎛ 단위의 크기를 가지는 각종 오염물질이 제거되기 때문에 막 파울링을 효과적으로 억제할 수 있다.
또한 필요에 따라서는 다층여과층(210)을 통과시킨 여과수(310)를 한외여과막이나 정밀여과막(400)으로 여과하는 단계를 더 수행하여 희석용액(510)으로 사용할 수 있다. 전술한 바와 같이, 다층여과층(210)에서는 대략 수 ㎛ 단위 이상의 크기를 갖는 오염물질은 제거되지만, 이들 보다 작은 크기를 갖는 오염물질은 대부분 제거되지 않는 것이 일반적이고, 희석용액 내에 수 ㎛ 단위의 크기를 갖는 오염물질이 과다하게 포함되어 있으면 이들 물질 역시 정삼투막의 투과성능을 급격하게 저하시키는 원인으로 작용할 수 있으므로, 필요에 따라서는 정밀여과막 또는 한외여과막(400)으로 여과한 후 희석용액(510)을 준비하는 것이 바람직하다.
상기에서와 같이 탁도 유발물질 및/또는 유기 오염물질을 포함하고 있는 지하수, 하천수 또는 해수를 다층여과층(210)을 이용한 여과공정, 정밀여과막 또는 한외여과막(400)으로 여과하여 얻어진 투과수(510)를 정삼투막 모듈(600)의 희석용액 수용공간(620)으로 공급하면서, 동시에 식품 및/또는 식품첨가물이 고농도로 함유된 유도용액을 유도용액 수용공간(630)으로 공급한다.
즉, 도 1에 도시한 바와 같이, 정삼투막 모듈(600)은 정삼투막(610)이 가운데 위치하며, 정삼투막의 일측은 희석용액 수용공간(620) 그리고 타측은 유도용액 수용공간(630)으로 구분된다. 상기와 같은 정삼투막 모듈(600)의 희석용액 수용공간(620)으로는 한외여과막 또는 정밀여과막을 통과한 투과수가 희석용액(510)으로서 공급되고, 유도용액 수용공간(630)으로는 식품 및/또는 식품첨가물을 고농도로 포함한 유도용액(710)이 공급된다.
또한 이들 유도용액(710)과 희석용액(510)과의 삼투압 차이에 의하여 여과막 투과수인 희석용액(510)의 순수한 물이 유도용액 수용공간(630)으로 이동한 후, 희석된 유도용액 저류조(800)에 집수된다.
여기서, 희석된 유도용액 저류조(800)에 집수되는 식품 및/또는 식품첨가물의 농도는 탄산음료수로서 제공할 수 있도록 소정 범위로 조절되는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 전술한 바와 같이, 오염물질의 제거와 식품 및/또는 식품첨가물을 함유시킨 탄산음료수용 원료를 하나의 공정만으로 제공할 수 있다는 것이 특징이므로, 상기 희석된 유도용액 저류조(800)의 희석된 유도용액(810)은 탄산음료수로서 제공할 수 있을 정도로 식품 및/또는 식품첨가물이 함유되는 것이 바람직하다.
상기와 같이 희석된 유도용액(810)의 식품 및/또는 식품첨가물의 농도는 정삼투막(610)의 운전조건을 변화시킴으로써 달성할 수 있다.
일 예로서, 희석된 유도용액 저류조(800)에서 식품 및/또는 식품첨가물농도를 실시간으로 검출하면서, 소정 범위로 식품 및/또는 식품첨가물이 포함되면 정삼투 여과공정을 중단한 후 희석된 유도용액 저류조(800)의 희석된 유도용액(810)을 배출시키고, 반대로 희석된 유도용액 저류조(800)의 식품 및/또는 식품첨가물 농도가 소정범위 이상인 경우에는 희석된 유도용액(810)을 희석된 유도용액 순환라인(810)을 통하여 정삼투 모듈(600)로 재순환시켜 소정범위에 해당되도록 조절할 수 있다.
또 다른 일 예로서, 희석된 유도용액 저류조(800)의 식품 및/또는 식품첨가물 농도가 소정범위 이상인 경우에는, 유도용액(710)을 공급하는 압력이나 유량, 또는 희석용액(510)을 공급하는 압력이나 유량을 변화시켜 희석된 유도용액 저류조(800)의 식품 및/또는 식품첨가물 농도를 소정범위에 해당되도록 조절할 수 있다.
또 다른 일 예로서, 희석된 유도용액 저류조(800)의 식품 및/또는 식품첨가물 농도가 소정범위 이상인 경우, 희석된 유도용액(8100)을 정삼투 모듈(600)로 재순환시키면서, 유도용액(710)을 공급하는 압력이나 유량, 또는 희석용액(510)을 공급하는 압력이나 유량을 함께 변화시켜 희석된 유도용액 저류조(800)의 식품 및/또는 식품첨가물 농도를 소정범위에 해당되도록 조절할 수 있다.
한편, 정삼투 모듈(600)로 공급된 희석용액(510) 중 순수한 물의 일부는 정삼투막(610)을 투과하여 유도용액 수용공간(630)으로 이동하지만, 이온 물질이 농축된 희석용액의 농축수는 정밀여과막 또는 한외여과막과 연결되는 희석용액 농축수 순환라인(640)을 경유하여 다시 정밀여과막 또는 한외여과막 모듈(400)로 공급된다.
여기서, 희석용액의 농축수를 저류시키기 위한 별도의 농축조를 두지 않고, 정밀여과막 또는 한외여과막으로 바로 공급하는 이유는 동력비, 즉 운전비용을 절감하기 위한 것이다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 희석용액(510)을 정삼투 모듈(600)로 공급하거나, 정밀여과막이나 한외여과막(400)으로 여과수(310)를 공급하기 위해서는 소정의 압력이 필요하고, 따라서 본 발명에서는 희석용액의 농축수가 가지고 있는 구동력(driving force)을 그대로 활용할 수 있도록, 정삼투막 모듈(600)로부터 배출되는 희석용액 농축수를 순환라인(640)으로 순환시켜 정밀여과막이나 한외여과막으로 바로 공급하고 있다.
정밀여과막, 한외여과막 및 정삼투막의 일반적인 운전방법이나 조작방법은 공지의 기술에 해당되므로, 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
상기와 같은 과정을 통하여 소정 범위로 조절된 유도용액 저장조(800)의 희석된 유도용액(810), 즉 식품 및/또는 식품첨가물이 소정의 농도로 함유된 희석된 유도용액을 소정 용량의 단위로 포장한다. 상기 포장용기나 용량은 공지된 기술에 해당될 뿐만 아니라 적절히 변경할 수 있는 사항이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
다음으로는 소정의 압력, 바람직하게는 0.5kg/㎠이상의 압력이 되도록 탄산가스를 주입한 밀봉한다.
또한 탄산가스를 주입하고 밀봉한 용기를 살균하는 단계를 더 실시하는 것이 바람직하다. 일반적으로 정삼투막은 대부분의 각종 세균을 제거할 수 있지만 희석용액 저장조(500), 희석된 유도용액 저장조(800) 또는 포장과정에서 세균에 오염될 수 있으므로 탄산 음료수가 포장된 포장용기를 살균하는 것이 바람직하다.
여기서, 살균방법은 포장용기, 식품 및/또는 식품첨가물의 종류에 따라 상이할 수 있고, 이 기술분야에서 사용되는 공지된 살균방법을 사용할 수 있다. 또한 도 2에서는 탄산음료수가 포장된 포장용기를 살균하는 것으로만 도시하고 있으나, 탄산음료수를 용기에 담기 전에도 살균공정을 실시할 수 있음은 자명하다.
한편, 첨부한 도 2 및 상기 설명에서는 본 발명의 탄산음료수 제조방법이 제1단계 내지 제7단계로 이루어진 것으로 기재하였으나, 발명의 이해를 돕기 위하는 것일 뿐 반드시 순차적으로 진행되어야 한다는 의미는 아니다.
즉, 전술한 바와 같이 필요에 따라 제1단계 및/또는 제2단계를 생략할 수 있고, 또 제3단계 내지 제7단계를 동시에도 실시할 수 있다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.
100 : 원수조
110 : 원수
200 : 다층여과탑
210 : 다층여과층
300 : 여과수 저류조
310 : 여과수
400 : MF/UF 모듈
410 : MF/UF 농축라인
500 : 희석용액 저류조
510 : 희석용액
600 : 정삼투막 모듈
610 : 정삼투막 620 : 희석용액 수용공간
630 : 유도용액 수용공간 640 : 희석용액 농축수 순환라인
700 : 유도용액 저류조
710 : 유도용액
800 : 희석된 유도용액 저류조
810 : 희석된 유도용액
820 : 희석된 유도용액 순환라인

Claims (7)

  1. 정삼투 여과공정에서 식품 및/또는 식품첨가물이 함유된 유도용액(710)으로부터 탄산음료수를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 제조방법은 지하수, 하천수 또는 해수 중 어느 하나 이상의 원수(110)를 다층여과층(210)으로 여과하는 제1단계;
    다층여과층(210)을 통과한 여과수(310)를 정밀여과막 또는 한외여과막(400)으로 여과하여 희석용액(510)을 준비하는 제2단계;
    희석용액(510)과 유도용액(710)을 정삼투막 모듈(600)로 공급하여 희석된 유도용액(810)을 얻는 제3단계;
    희석용액의 농축수를 정밀여과막 또는 한외여과막(400)과 연결되는 희석용액 농축수 순환라인(640)으로 순환시키는 제4단계;
    희석된 유도용액(810)을 용기에 주입하는 제5단계;
    탄산가스를 주입한 후 밀봉하는 제6단계: 및
    탄산가스를 주입하고 밀봉한 용기를 살균하는 제7단계를 포함하되,
    희석된 유도용액 저류조(800)의 식품 및/또는 식품첨가물 농도를 실시간으로 검출하면서, 소정 범위로 식품 및/또는 식품첨가물이 포함되면 정삼투 여과공정을 중단한 후 희석된 유도용액 저류조(800)의 희석된 유도용액(810)을 배출시키고, 희석된 유도용액 저류조(800)의 식품 및/또는 식품첨가물 농도가 소정범위 이상인 경우에는 희석된 유도용액(810)을 희석된 유도용액 순환라인(820)을 통하여 정삼투 모듈(600)로 재순환시켜 식품 및/또는 식품첨가물 농도가 소정범위에 해당되도록 조절하는 단계를 상기 제3단계와 제5단계 사이에 더 수행하는 것을 특징으로 하는 탄산음료수 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유도용액(710)은 산미료, 향료, 착색료, 또는 과즙 중 어느 하나 이상의 성분이 포함된 것을 특징으로 하는 탄산음료수 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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T.Y. Cath, et al., Forward osmosis: Principles, applications, and recent developments. J. Membr. Sci. 281: pp.70~87 (2006)*

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