KR20090121735A - 해양 심층수로부터 주류제조용수를 생산하는 방법과 이를주류제조에 이용하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 본 발명은 해양 심층수로부터 주류제조용수를 생산하는 방법과 이를 주류제조에 이용하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층의 해양 심층수를 탈염처리한 탈염수를 개질처리하여 주류제조용수를 만드는 방법과 이를 주류제조에 이용하는 방법에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은 소주(燒酒), 맥주(麥酒), 막걸리(濁酒), 청주(淸酒), 리큐어(Liqueur)와 같은 주류제조에 있어서, 해양 심층수를 취수하여 후속처리를 원만하게 처리될 수 있도록 20∼30℃로 가온처리한 다음, 모래여과, 정밀여과, 한외여과 또는 나노여과를 한가지 이상의 공정을 조합한 여과를 하여 해양 심층수의 전처리단계와, 상기 처리된 해양 심층수는 역삼투여과공정, 전기투석공정, 전기추출공정 또는 냉동공정 중에서 선택된 한가지 공정에 의해서 1차 탈염처리하여 탈염수를 생산하는 1차 탈염단계와, 상기 탈염수의 pH를 9∼11의 알칼리(Alkali)로 처리한 다음, 역삼투여과공정으로 보내어 붕소화합물이 제거된 여과수를 생산하는 2차 탈염단계와, 상기 붕소화합물을 제거한 여과수의 pH를 5.8∼8.5로 조정하면서, 미네랄조정제를 공급하여 경도를 50∼1,000㎎/ℓ범위로 조정하는 경도 및 pH를 조정한 처리수를 물의 개질공정의 경도 및 pH조정공정의 처리수 저장조(1)에 주입하고, 경도 및 pH조정공정의 처리수 이송펌프(2)로 자성체 충전물(6)이 충전된 정전압도전장치(3) 하부로 공급하여 경도 및 pH조정공정의 처리수 저장조(1)로 경도 및 pH조정공정의 처리수 유입유량의 1∼4배의 유량을 반송하면서, 컨트롤박스(8)로부 터 0.5∼10볼트(Volt)의 전압을 인가(印加)하여 물을 개질(改質)한 다음, 주류제조용수 저장조(9)로 보내었다가, 주류제조용수 이송펌프(10)로 주류제조에서 용수로 사용하는 주류제조용수를 생산하는 단계와, 상기 주류용수를 소주, 맥주, 막걸리, 청주, 리큐어와 같은 주류제조에 이용하는 단계로 이루어진 것을 특징이 있다.

해양 심층수(海洋深層水), 용수(用水), 소주(燒酒), 맥주(麥酒), 막걸리(濁酒), 청주(淸酒), 리큐어(Liqueur), 탈염수(脫鹽水), 발효수(醱酵水), 희석수(稀釋水)

Description

해양 심층수로부터 주류제조용수를 생산하는 방법과 이를 주류제조에 이용하는 방법{A method to produce alcoholic beverages production water from deep-ocean water, and a method to use this for alcoholic beverages production}

본 발명은 본 발명은 해양 심층수(海洋深層水)로부터 주류제조용수(酒類製造用水)를 생산하는 방법과 이를 주류제조에 이용하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층(海底深層)의 해양 심층수를 탈염처리(脫鹽處理)한 탈염수(脫鹽水)를 개질처리(改質處理)하여 소주(燒酒), 맥주(麥酒), 막걸리(濁酒), 청주(淸酒), 리큐어(Liqueur)와 같은 주류제조에서 사용하는 발효수(醱酵水) 또는 희석수(稀釋水)로 사용하는 주류제조용수를 만드는 방법과 이를 주류제조에 이용하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 소주(燒酒), 맥주(麥酒), 막걸리(濁酒), 청주(淸酒), 리큐어(Liqueur)와 같은 주류제조에서 사용하는 발효수(醱酵水) 또는 희석수(稀釋水)로 사용하는 용수(用水)는 지하광천수 또는 하천수를 정수처리하여 사용하는데, 산업의 발전과 인구의 집중으로 인하여 지하광천수 또는 하천수는 환경오염물질이 오염되어 있어 위생적으로 안전하지 못한 문제점이 있으면서, 이와 같은 환경오염물질 을 제거하는데 처리비용이 높은 문제점이 있다.

그래서 위생적으로 안전한 해양 심층수를 이용한 다음의 문헌 1에서 문헌 5의 종래기술이 공지되어 있으나, 처리비용이 높으면서 청량감이 크게 우수하지 못한 문제점이 있다.

종래기술의 문헌정보

[문헌 1] 대한민국특허 등록번호 제10-0660761호(2006.12.18)

[문헌 2] 대한민국특허 등록번호 제10-0772888호(2007.10.29)

[문헌 3] 대한민국특허 등록번호 제10-0673327호(2007.01.17)

[문헌 4] 대한민국특허 등록번호 제10-0702897호(2007.03.28)

[문헌 5] 대한민국특허 공개번호 제10-2008-0007205호(2008.01.17)

본 발명은 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층의 해양 심층수를 탈염처리한 탈염수를 소주, 맥주, 막걸리, 청주와 같은 주류제조에서 용수로 이용하여 위생적으로 안전한 주류를 제조하는데, 해양 심층수를 주류제조에서 용수로 이용하는 방법과 이 주류제조용수를 주류제조에 이용하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.

본 발명은 소주(燒酒), 맥주(麥酒), 막걸리(濁酒), 청주(淸酒), 리큐어(Liqueur)와 같은 주류제조에 있어서, 해양 심층수를 취수하여 후속처리를 원만하게 처리될 수 있도록 20∼30℃로 가온처리한 다음, 모래여과, 정밀여과, 한외여과 또는 나노여과를 한가지 이상의 공정을 조합한 여과를 하여 해양 심층수의 전처리단계와, 상기 처리된 해양 심층수는 역삼투여과공정, 전기투석공정, 전기추출공정 또는 냉동공정 중에서 선택된 한가지 공정에 의해서 1차 탈염처리하여 탈염수를 생산하는 1차 탈염단계와, 상기 탈염수의 pH를 9∼11의 알칼리(Alkali)로 처리한 다음, 역삼투여과공정으로 보내어 붕소화합물이 제거된 여과수를 생산하는 2차 탈염단계와, 상기 붕소화합물을 제거한 여과수의 pH를 5.8∼8.5로 조정하면서, 미네랄조정제를 공급하여 경도를 50∼1,000㎎/ℓ범위로 조정하는 경도 및 pH를 조정한 처리수를 물의 개질공정의 경도 및 pH조정공정의 처리수 저장조(1)에 주입하고, 경도 및 pH조정공정의 처리수 이송펌프(2)로 자성체 충전물(6)이 충전된 정전압도전 장치(3) 하부로 공급하여 경도 및 pH조정공정의 처리수 저장조(1)로 경도 및 pH조정공정의 처리수 유입유량의 1∼4배의 유량을 반송하면서, 컨트롤박스(8)로부터 0.5∼10볼트(Volt)의 전압을 인가(印加)하여 물을 개질(改質)한 다음, 주류제조용수 저장조(9)로 보내었다가, 주류제조용수 이송펌프(10)로 주류제조에서 용수로 사용하는 주류제조용수를 생산하는 단계와, 상기 주류용수를 소주, 맥주, 막걸리, 청주, 리큐어와 같은 주류제조에 이용하는 단계로 이루어진 것을 특징이 있다.

본 발명은 해양 심층수의 탈염수를 소주, 맥주, 막걸리, 청주와 같은 주류제조에서 용수로 이용하였을 때는 위생적으로 안전하기 때문에 주류제조에서 용수로 널리 이용되는 효과가 있을 것으로 기대된다.

먼저, 해양 심층수의 특성을 검토하면, 해양 심층수는 통상 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층의 해수를 해양 심층수라고 부르며, 표층 해수와는 달리 햇빛이 닿지 않아 플랑크톤(Plankton) 및 생명체가 증식하지 못하기 때문에 영양염류의 농도가 높으면서 수온에 따른 밀도차이로 표층해수와 혼합되지 않아 표층해수에 존재하는 오염물질이 없으며, 표층의 해수와 비교하였을 때 저온안정성(低溫安定性), 오염물질, 유해세균이나 유기물이 매우 적은 청정성(淸淨性), 식물의 성장에 매우 중요한 무기영양염류가 풍부한 부영양성(富營養性)과 다양한 미네랄성분이 균형 있게 존재하는 미네랄밸런스(Mineral balance)특성과 고압 저온상태에서 긴 세월동안 물 분자의 집단(Cluster)이 소집단화(小集團化)되어 표면장력이 적어 침투 성(浸透性)이 좋은 물로 숙성된 숙성성(熟成性) 등의 특성이 있으며, 구체적인 내용은 표1의 내용과 같다.

표1 해양 심층수의 특성

저온 안정성	표층해수의 수온은 계절에 따라서 큰 폭으로 변동하는 데 비해서, 해양 심층수는 수온의 변동이 적으면서 저온으로 안정되어 있다.
청정성	해양 심층수는 심층에 있으므로 육상의 하천수, 대기로부터의 오염을 받기 어렵고, 화학물질, 세균 및 생물체, 현탁물(懸濁物)이 매우 적다.
부영양성	해양 심층수는 햇빛이 닿지 않는 깊은 곳에 있으므로 광합성을 하지 않고, 표층 해수와 비교해서, 생물의 생장에 필요한 질소, 인, 규산 등의 무기영양염이 많이 포함되어 있다.
미네랄특성	해양 심층수에는 다양한 필수 미네랄이 포함되어 있으면서 불순물이 적은 특성이 있다.
숙성성	해양 심층수는 고압 하에서 긴 세월을 지나면서 숙성되어 물 분자의 집단체(Cluster)가 소집단화(小集團化)되어 표면장력(表面張力)이 적어 침투성이 우수하면서 열전도율이 높다.

해양 심층수란 햇빛이 닿지 않고, 또한, 표층의 해수와 섞이지 않는 깊이에 있는 해수로, 통상 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층의 해수를 해양 심층수라고 부르고 있으며, 해양 심층수는 표층해수에 비해서 오염물질 및 유해세균이 전혀 함유되어 있지 않으면서 표2의 "해양 심층수와 표층해수의 성분 분석치"에서 보는 바와 같이 발효미생물의 생육에 필요한 칼슘, 마그네슘, 철, 아연, 나트륨 등 주요원소가 70종류를 넘는 다종다양한 미네랄성분이 포함되어 있으면서 영양염류, 생균수, 수온은 상당한 차이가 있는 특성이 있다.

표2 해양 심층수와 표층해수의 성분 분석치

구분		울릉도 현포		일본 고지현 무로도(高知縣 室戶)
		650m 해양 심층수	표층해수	374m 해양 심층수	표층해수
일 반 항 목	수온（℃）	0.5	23	11.5	20.3
	pH			7.98	8.15
	DO 용존산소 (㎎/ℓ)	6	8	7.80	8.91
	TOC 유기 탄소 (㎎/ℓ)	-	-	0.962	1.780
	CODMn(㎎/ℓ)	0.2	0.6	-	-
	용해성 증발잔류물(㎎/ℓ)			47,750	37,590
	M-알칼리도 (㎎/ℓ)			114.7	110.5
주 요 원 소	Cl 염화물이온(wt%)	NaCl로 3.41	NaCl로 3.45	2.237	2.192
	Na 나트륨 (wt%)			1.080	1.030
	Mg 마그네슘(㎎/ℓ)	1,320	1,280	1,300	1,310
	Ca 칼슘 (㎎/ℓ)	393	403	456	441
	K 칼륨 (㎎/ℓ)	380		414	399
	Br 취소 (㎎/ℓ)			68.8	68.1
	Sr 스트론튬 (㎎/ℓ)			7.77	7.61
	B 붕소 (㎎/ℓ)			4.44	4.48
	Ba 바륨(㎎/ℓ)			0.044	0.025
	F 불소 (㎎/ℓ)			0.53	0.56
	SO4 2 -(㎎/ℓ)			2,833	2,627
영 양 염 류	NH4 +암모니아태질소(㎎/ℓ)			0.05	0.03
	NO3 -질산태질소 (㎎/ℓ)	0.28	0.040	1.158	0.081
	PO4 3 -인산태인 (㎎/ℓ)	0.06	0.012	0.177	0.028
	Si 규소 (㎎/ℓ)	2.80	0.440	1.890	0.320
미 량 원 소	Pb 납 (㎍/ℓ)	0.11		0.102	0.087
	Cd 카드뮴 (㎍/ℓ)	0.05		0.028	0.008
	Cu 구리 (㎍/ℓ)	0.26		0.153	0.272
	Fe 철 (㎍/ℓ)	0.22		0.217	0.355
	Mn 망간 (㎍/ℓ)	0.27		0.265	0.313
	Ni 니켈 (㎍/ℓ)	0.36		0.387	0.496
	Zn 아연 (㎍/ℓ)	0.45		0.624	0.452
	As 비소 (㎍/ℓ)	0.04		1.051	0.440
	Mo 몰리브덴(㎍/ℓ)	-		5.095	5.565
	Cr 크롬(㎍/ℓ)	0.02
균 수	생균수(개/㎖)	0	520	0	540
	대장균수(개/㎖)	음성	음성	음성	음성

해양 심층수 이용의 역사는 짧고, 지금까지 수산분야를 시작으로 식품이나 의료, 건강산업, 음료수, 화장품 등의 비수산분야에 있어도, 다양한 연구를 하고 있으며, 해양 심층수는 다음과 같은 특성이 있다.

1. 저온 안전성(低溫 安全性)

표층해수의 수온은 계절에 의해서 큰 폭으로 변동하는데 비해서, 해양 심층 수는 계절에 따라서 수온의 변화가 없으면서 저온으로 안정되어 있다.

특히 한국 동해의 해양 심층수는 오호츠크해(Sea of Okhotsk)의 유빙(流氷)이 녹은 찬 해수가 밀도차로 침강(沈降)하여 사할린섬(Ostrov Sakhalin)과 홋카이도(北海道) 사이의 블라디보스토크(Vladivostok) 앞바다로 유입된 심층수로 일본열도가 가로 막혀 흐름이 느려 해수면에서 수심 300m보다 깊은 해저심층에서는 연간을 통해서 수온이 1∼2℃로 하와이나 일본 태평양 연안의 코우치현(高知縣)의 무로토(室戶) 앞바다의 해양 심층수 등에 비해서 8∼11℃ 정도 낮은 특성이 있다.

2. 청정성(淸淨性)

심층에 있으므로 육상의 하천수, 대기로부터의 오염을 받기 어렵고, 화학물질, 오염물질과 세균수가 적다.

① 물리적 청정성

물리적 청정성은 부유물, 현탁물이 적다고 하는 것으로 해양 심층수는 표층해수에 비해서 부유고형물질의 함량이 적다.

② 생물학적 청정성

해수의 취수에서 제일문제가 되는 것은 부착생물의 번식인데, 일반적으로, 표층해수의 취수장치에서는 취수관 내에 부착생물이 번식하는 것으로, 관의 저항이 늘어나 취수불능이 되는 것이 많은데, 해양 심층수는 플랑크톤, (병원성) 미생물, 클로렐라 등의 총생균수는 표층수의 10분의 1에서 100분의 1로 적은 특성이 있다.

③ 화학적 청정성

해양 심층수는 오염된 표층해수와 혼합이 일어나지 않기 때문에 다이옥신이나 PCB, 유기 염소화합물, 유기주석 등 이른바 환경오염물질에 오염되어 있지 않은 특성이 있다.

3. 부영양성(富營養性)

해양 심층수는 표층해수에 비해서 바다생물의 근원이 되는 식물플랑크톤(주로, 엽록소를 가지는 미소의 단세포 식물인 규조)의 영양원이 되는 질소, 인, 규산 등이 표층해수의 약 5∼10배의 무기영양염류가 풍부하게 포함되어 있는 특성이 있다.

해수면에서 수심 150m보다 깊은 해저심층에서 광량은 1% 이하로, 더 이상의 깊이에서는 식물성 플랑크톤은 광합성을 할 수 없기 때문에, 영양소는 식물성 플랑크톤에 의해서 소비되지 않고 아래의 깊은 층으로 가라앉아 축적되어 무기영양염의 농도가 높다.

4. 미네랄의 특성

해수는 70종류를 넘는 원소를 포함하고 있으며, 해양 심층수도 이와 같이 다종 다양한 원소를 포함하고 있는 특성이 있다.

동·식물의 생육에 필요한 주요원소가 많으면서 필요하기는 하지만 다량으로 섭취하면 해가 되는 필수 미량원소인 동, 아연과 같이 사람의 건강에 깊은 관계가 있는 것은 극히 소량 포함되어 있다고 하는 특성이 있다.

5. 숙성성(熟成性)

해양 심층수는 표층해수에 비해 pH가 낮으며(pH 7.8 전후), 유기물 함량이 적으면서, 해양 심층수는 표층해수로부터 분리되어 저온 고압 하에서 긴 세월동안 물 분자의 집단(Cluster)이 적은 소집단화(小集團化)된 소집단수(小集團水, Micro-clustered water)로 수질이 안정되어 있다.

물 분자는 수소결합(水素結合)에 의해서 집단(Cluster)을 형성하고 있으며, 이와 같은 물 분자 집단의 수(數)를 측정하는 방법은, 현재 핵자기공명(核磁氣共鳴, Nuclear magnetic resonance, NMR)의 ¹⁷O-NMR 스펙트럼(Spectrum) 반치폭(半値幅)의 값(㎐)을 측정하여 간접적으로 추정하고 있으며, 핵자기공명 ¹⁷O-NMR 반치폭 값(㎐)의 약 1/10이 물 분자의 집단수(集團數)로 알려져 있다.

물 분자의 수소결합이 부분적으로 절단(切斷)되면서 소집단화(小集團化)되면 표면장력(表面張力)이 떨어지면서 침투성(浸透性)이 향상되어 청량감(淸凉感)이 우수한 것으로 밝혀져 있다.

일반적으로 하천수로부터 생산된 경우 핵자기공명 ¹⁷O-NMR 반치폭의 값은 130∼150㎐로 나타내고 있으며, 해양 심층수의 경우는 장소에 따라서 상당한 차이가 있는데, 일본 오키나와현(沖繩縣) 우라소에시(浦添市) 앞바다 수심 1,400m에서 취수한 해양 심층수의 경우 핵자기공명 ¹⁷O-NMR 반치폭의 값은 78㎐ 이였으며, 울릉도 현포 앞바다 수심 650m에서 취수한 해양 심층수의 경우는 65.5㎐이었다. 이와 같이 핵자기공명 ¹⁷O-NMR 반치폭의 값(㎐)이 적은 물을 소집단수(Microclustered water)라 한다.

해양 심층수는 상기와 같은 특성이 있으나, 소주(燒酒), 맥주(麥酒), 막걸리(濁酒), 청주(淸酒), 리큐어(Liqueur)와 같은 주류제조에서 발효수(醱酵水) 또는 희석수(稀釋水)로 사용하기 위해서는 과잉으로 함유되어 있는 염분을 제거한 다음, 미네랄조정제로 경도를 조정하고, 또한 핵자기공명(核磁氣共鳴, Nuclear magnetic resonance) ¹⁷O-NMR 반치폭의 값이 70㎐ 이상 되는 경우는 청량감이 떨어지기 때문에 물을 개질(改質) 할 필요가 있다.

해양 심층수에는 붕소화합물이 4∼5㎎/ℓ 범위로 함유되어 있는데, 단순한 나노여과와 역삼투여과방법 또는 이온교환막법인 전기투석처리에 의해서는 음료수 허용기준치 0.3㎎/ℓ 이하로 처리가 어렵다.

해양 심층수에 함유되어 있는 붕소화합물은 붕산(H₃BO₃)의 형태로 존재하며, 이온반경이 0.23Å 정도로 입자의 크기가 적기 때문에 단순한 나노여과 및 역삼투여과에 의해서는 음료수기준치 0.3㎎/ℓ이하로 처리가 어려우며, 또한, 해리정수(解離定數) pKa의 값이 9 정도로 해양 심층수 중에서는 거의 비해리(非解離) 상태로 존재하면서 이온상태로는 거의 존재하지 않기 때문에 전기투석법에 의해서도 음료수 처리기준치 0.3㎎/ℓ이하로 처리가 어려운 문제점이 있기 때문에 pH를 9∼11의 알칼리(Alkali)로 처리하여 붕산을 겔(Gel) 상태의 폴리(Poly) 붕산으로 전환한 다음, 역삼투여과를 하여야 붕소화합물을 제거할 수 있다.

경도조정공정에서 미네랄조정제는, 해양 심층수를 1가 양이온선택교환막과 1가 음이온선택교환막을 사용한 전기투석장치 또는 전기추출장치에서 NaCl과 KCl과 같은 1가 염을 선택적으로 제거한 다음, Ca/Mg의 중량비가 2∼6의 범위로 미네랄밸런스를 조정한 시판되는 제품을 사용한다.

그리고 물의 개질공정(改質工程)은 본 발명의 발명자가 개발한 정전압도전관(靜電壓導電管)을 이용하여 핵자기공명 ¹⁷O-NMR 반치폭의 값이 60㎐이하로 처리하여 물의 청량감이 우수한 물로 처리를 한다.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

Ⅰ. 해양 심층수의 전처리단계

1. 취수 및 가온처리공정

해양 심층수는 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층에서 취수하여 후속처리를 원만하게 처리될 수 있도록 20∼30℃로 가온처리를 한다.

해양 심층수의 취수방법은 선상(船上)에서 해저 200m보다 깊은 곳까지 배관을 내려 취수하던가, 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층까지 배관을 설치하여 펌프(Pump)로 취수하던가, 해수면에서 수심 200m보다 깊은 해저심층까지 배관을 설치하고 취수정을 해수면 이하로 설치하여 사이펀(siphon) 원리에 의해서 취수를 한다.

집수조에 취수된 해양 심층수는 온도가 낮으면서 점도가 높아 처리효율이 떨 어지기 때문에 보일러(Boiler)에서 열을 공급받아(여름철에는 표층해수의 수온을 이용할 수도 있음) 20∼30℃로 가온하여 전처리 여과공정으로 보낸다.

2. 전처리 여과공정

전처리 여과공정은 모래여과, 정밀여과(Microfiltration), 한외여과(Ultrafiltration) 또는 나노여과(Nanofiltration) 중에서 한가지 이상의 공정을 조합한 여과를 하여 수중의 부유고형물질(SS: Suspended solid)을 제거한 여과된 해양 심층수는 1차 탈염단계로 보낸다.

이때 여과압력은 운전조건에 따른 여과기의 압력손실과 배관의 압력손실을 고려하여 결정하며, 모래여과의 경우 여과속도는 6∼10m/시간으로 하고, 여과사(濾過砂)의 유효경(有效徑)은 0.3∼0.45㎜, 균등계수(均等係數)는 2.0 이하로 하며, 여층(濾層)의 두께는 0.5∼1.0m로 한다.

이때 취수된 해양 심층수의 탁도(濁度)가 2㎎/ℓ 이하인 경우는 모래여과는 할 필요가 없다.

그리고 정밀여과와 한외여과(限外濾過)는 여과막의 종류에는 구애받지 않으며, 벤더(Vendor)의 사양에 따라서 여과속도와 압력손실을 고려하여 펌프(Pump)의 공급압력을 결정한다.

정밀여과 또는 한외여과에서 여과는 물의 FI(Fouling index)값을 2∼4 범위로 처리한다.

FI값은 대상 수중의 미세한 탁질 농도를 나타내는 수치로 다음 ①식으로 표 현된다.

FI = (1－T₀/T₁₅)×100/15 ……………………………………………………①

여기서 T₀는 0.45㎛의 정밀여과막을 이용하여 시료수를 0.2㎫로 가압 여과했을 때에 최초의 500㎖의 시료수의 여과에 필요로 한 시간이며, T₁₅는 T₀와 동일한 상태에서 15분간 여과한 후에 500㎖의 시료수의 여과에 필요로 하는 시간이다.

나노여과에서는, 후속 1차 탈염처리를 역삼투여과장치, 전기투석장치 또는 전기추출장치에 의해서 수행하는 경우는 막 막힘의 원인이 되는 황산 이온(SO₄ ^{2 -})을 제거한 해양 심층수는 1차 탈염단계로 보낸다.

나노여과막 모듈(Module) 형태는 관형(管形: tubular), 중공사형(中空絲形: hollow fiber), 나선형(螺旋形: spiral wound), 평판형(平板形: plate and frame) 등 어떠한 형태를 사용하여도 상관이 없으며, 그리고 막(膜)의 재질(材質)도 특별히 제한하지는 않는다.

그리고 나노여과막의 소재는, 폴리아미드(Polyamide)계, 폴리피페라진아미드(Polypiperazineamide)계, 폴리에스텔아미드(Polyesteramide)계 또는 수용성의 비닐폴리머(Vinylpolymer)를 가교(架橋)한 것을 사용할 수 있으며, 막 구조는 막의 한 면에 치밀층(緻密層)으로 되어 있으며, 치밀층으로부터 막 내부 혹은 한 면의 막을 향해서 서서히 큰 구멍에서 미세 구멍으로 구성되어 있는 비대칭막(非對稱膜)이나, 이러한 비대칭막의 치밀층 위에 다른 소재로 형성된 매우 얇은 분리기능층 (分離機能層)을 가지는 복합막(複合膜) 등을 사용할 수 있으며, 피페라진 폴리아미드계 복합막이 바람직하지만 본 발명에서는 막의 재질과 구조에는 특별히 제한하지는 않는다.

나노여과에서는 후처리의 1차 탈염처리공정에서 스케일(Scale)생성의 원인이 되는 황산 이온(SO₄ ^{2 -})을 제거하는 것이 주목적으로, 전처리여과에서 수중의 부유고형물질을 제거한 해양 심층수는 나노여과장치로 보내어 여과되지 않은 황산 이온 함유수는 방류(放流)하고, 여과수는 1차 탈염처리공정으로 보낸다.

나노여과막에서 이온의 투과순서는, 양이온의 경우는 Ca^{2 +}＞Mg^{2 +}＞Li⁺＞Na⁺＞K⁺＞NH₄ ⁺ 이고, 음이온의 경우는 SO₄ ^{2 -}≫HCO₃ ^-＞F^-＞Cl^-＞Br^-＞NO₃ ^-＞SiO₂ 이며, 황산이온(SO₄ ^{2 -})의 경우는 Mg^{2 +}와 Ca^{2 +}보다도 투과하기 어렵다.

나노여과장치에서 공급압력은 염 농도가 3.5wt%인 해양 심층수의 삼투압 25㎏/㎠보다 낮은 15∼20㎏/㎠으로 하며, 나선형의 경우 막투과수량(膜透過水量)은 0.7∼1.4㎥/㎡·일로 하면 이때 막투과수량은 유입수량의 70∼80%가 된다.

Ⅱ. 1차 탈염단계

상기 전처리 여과공정에서 처리된 해양 심층수는 역삼투여과공정, 전기투석공정, 전기추출공정, 냉동공정, 증발·응축공정 또는 이온교환공정에 의해서 1차 탈염처리를 할 수 있으나, 증발·응축공정과 이온교환공정은 경제성이 없기 때문에 본 발명에서는 역삼투여과공정, 전기투석공정, 전기추출공정 또는 냉동공정 중에서 선택된 한가지 공정에 의해서 1차 탈염처리한 다음, 2차 탈염처리단계의 pH조정공정으로 보낸다.

1. 역삼투여과공정

상기 전처리 여과공정에서 여과된 해양 심층수가 역삼투여과공정에 공급되면, 운전압력을 50∼70㎏/㎠으로 역삼투여과막에 공급하여 여과되지 않고 농축된 염수는 소금제조공정으로 보내고, 여과된 탈염수는 2차 탈염단계의 pH조정공정으로 보낸다.

역삼투여과공정의 여과막이 나선형 여과막인 경우 운전압력을 55∼56㎏/㎠에서 막투과수량은 0.5∼0.8㎥/㎡·일로 운전하면 여과수인 탈염수에는 염분이 99.0∼99.85wt% 범위로 제거되며, 유입수량의 40∼60%가 여과된다.

상기 역삼투여과의 막 모듈(Module) 형태도 관형(管形: tubular), 중공사형(中空絲形: Hollow fiber), 나선형(螺旋形: Spiral wound), 평판형(平板形: Plate and frame) 등 어떠한 형태를 사용하여도 상관이 없으며, 그리고 막(膜)의 재질(材質)도 특별히 제한하지는 않는다.

2. 전기투석공정

상기 전처리 여과공정에서 여과된 해양 심층수를 양이온교환 격막과 음이온 교환 격막이 양극과 음극 사이에 교호적(交互的)으로 다단을 설치하여 탈염실과 염농축실로 구성된 전기투석장치의 탈염실로 공급하고, 염농축실로는 염수를 공급하면서 정류기로부터 직류전기를 양극과 음극에 인가(印加)하면, 탈염실로 공급된 해양 심층수 중에 함유된 염분은 전기적인 인력에 의해서 염농축실로 이동하게 되어 농축된 염수는 소금제조공정으로 보내고, 탈염실에서 염분이 탈염처리된 탈염수는 2차 탈염단계의 pH조정공정으로 보낸다.

3. 전기추출공정

상기 전처리 여과공정에서 여과된 해양 심층수를 염추출실 내부에 양극과 음극 사이에 양이온교환 격막과 음이온교환 격막으로 격리된 탈염실을 다단으로 설치한 전기추출장치의 탈염실과 염추출실로 공급하면서 정류기로부터 직류전기를 인가하면 탈염실 내의 해양 심층수에 함유된 염분은 염추출실로 이동하여 농축된 염수는 소금제조공정으로 보내고, 탈염실에서 염분이 탈염처리된 탈염수는 2차 탈염단계의 pH조정공정으로 보낸다.

4. 냉동공정

상기 전처리 여과공정에서 여과된 해양 심층수를 보온처리된 냉각코일이 내장된 냉각장치에 공급하고, 해양 심층수를 냉각하면 도 3 "해양 심층수의 냉동에 따른 H₂O-NaCl계의 상평형도"에서 보는 바와 같이, 냉동기로부터 냉매를 냉각코일을 통해서 순환하면서 냉각장치 내의 간수의 온도를 냉각하여 -2℃ 이하로 되면 셔벗(Sherbet) 상태의 얼음이 생산되기 시작하며, 온도가 -22.40℃, 함수의 농도가 26.285wt%의 공정점(共晶點, Cryohydric point, 含氷晶이라 하기도 함)에 도달할 때까지는 염분함량이 적은 셔벗 상태의 얼음 생산된다. 공정점보다 낮은 온도로 계속 냉각을 하면 단사정계(單斜晶系, Monoclinic system)의 이수화물인 NaCl·2H₂O의 상태의 얼음이 생산되면서 염분이 함유된 얼음이 생산된다.

따라서 본 발명에서는 전처리 여과공정에서 여과된 해양 심층수를 -22.40℃까지 냉각하면서 생산된 셔벗(Sherbet) 상태의 얼음을 생산한 다음, 용해하여 탈염처리된 탈염수는 2차 탈염단계의 pH조정공정으로 보낸다.

Ⅲ. 2차 탈염단계

1. pH조정공정

해양 심층수에 붕소는 4∼5㎎/ℓ범위로 함유되어 있으면서 붕산(H₃BO₃)의 형태로 존재하며, 이온반경이 0.23Å 정도로 입자의 크기가 적기 때문에 단순한 나노여과 및 역삼투여과에 의해서는 음료수기준치 0.3㎎/ℓ이하로 처리가 어려우며, 해리정수(解離定數) pKa의 값이 9 정도로, 해수 중에서는 거의 비해리(非解離) 상태로 존재하며, 이온상태로는 거의 존재하지 않기 때문에 전기투석과 전기추출에 의해서도 음료수 처리기준치 0.3㎎/ℓ이하로 처리가 어려운 문제점이 있다. 또한, 냉동법에 의해서도 음료수 처리기준치 0.3㎎/ℓ이하로 처리가 어려운 문제점이 있기 때문에 pH를 9∼11의 알칼리(Alkali)로 처리를 하여 붕산을 겔(Gel) 상태의 폴리(Poly) 붕산으로 전환한 다음, 역삼투여과공정으로 보내어 붕소화합물을 제거한다.

수중의 붕산은 알칼리처리를 하면 다음과 같은 ②의 반응에 의해서 겔 상태의 폴리 붕산으로 전환된다.

B(OH)₃ + OH^_ → [B(OH)₄]^- → [B₃O₃(OH)₄]^- → [B₄O₅(OH)₄]^2-→ [B₅O₆(OH)₄]^- …②

2. 역삼투여과공정

상기 pH조정공정에서 pH를 9∼11 범위로 조정하여 붕소화합물을 폴리 붕소화합물로 전환한 것을 역삼투여과공정의 여과막에 운전압력을 5∼25㎏/㎠으로 공급하여 여과되지 않은 붕소화합물 함유수는 중화처리 후 방류하고, 붕소화합물이 음료수 기준치인 0.3㎎/ℓ이하로 여과된 탈붕소수인 여과수는 주류제조용수를 생산하는 단계의 경도 및 pH조정공정으로 보낸다.

본 역삼투여과공정에 유입되는 유입수는 염분이 거의 함유되어 있지 않기 때문에 운전압력을 5∼25㎏/㎠범위의 낮은 압력으로 운전을 한다. 나선형 여과막의 경우 막투과수량은 0.6∼1.2㎥/㎡·일로 운전이 되며, 이때 여과수 중에 붕소화합물은 음료수 기준치 0.3㎎/ℓ이하로 여과된다.

본 역삼투여과공정에서는 pH가 9∼11의 알칼리상태로 공급되어도 스케일(Scale)을 생성하는 CaCO₃, CaSO₄와 같은 물질은 상기의 나노여과공정 및 역삼투 여과공정에서 제거되었기 때문에 스케일의 생성은 문제되지 않는다.

Ⅳ. 주류제조용수를 생산하는 단계

1. 경도 및 pH조정공정

경도 및 pH조정공정에서는, 산을 주입하여 pH를 음료수 기준치인 5.8∼8.5로 조정하면서, 미네랄조정제를 공급하여 경도를 50∼1,000㎎/ℓ범위로 조정하여 처리된 처리수는 물의 개질공정으로 보낸다.

해양 심층수 원수의 핵자기공명(核磁氣共鳴, Nuclear magnetic resonance, NMR)의 ¹⁷O-NMR 스펙트럼(Spectrum) 반치폭(半値幅)의 값(㎐)이 70㎐이면서 핵자기공명 ¹⁷O-NMR 반치폭의 값(㎐)을 낮게 처리하지 않은 경우는 물의 개질공정을 생략하고, 경도 및 pH조정공정에서 경도와 pH가 조정된 처리수를 주류제조용수로 사용한다.

2. 물의 개질공정

상기 경도 및 pH조정공정의 처리수를 경도 및 pH조정공정의 처리수 저장조(1)에 주입하고, 경도 및 pH조정공정의 처리수 이송펌프(2)로 자성체 충전물(6)이 충전된 정전압도전장치(3) 하부로 공급하여 경도 및 pH조정공정의 처리수 저장조(1)로 경도 및 pH조정공정의 처리수 유입유량의 1∼4배의 유량을 반송하면서, 컨트롤박스(8)로부터 0.5∼10볼트(Volt)의 전압을 인가(印加)하여 물을 개질(改質)한 다음, 주류제조용수 저장조(9)로 보내었다가, 주류제조용수 이송펌프(10)로 주류제조에서 용수로 사용한다.

자성체 충전물(6)이 충전된 정전압도전장치(3) 내에 경도 및 pH조정공정의 처리수(유체)가 자기력선(Lines of magnetic force)을 가로지르는 방향으로 운동하면 전류가 흘러 새로운 자기장(Magnetic field)이 발생하고, 또한, 자기장(Magnetic field) 속에 전류가 흐르면 유체에 힘이 작용하여 운동상태를 바꾼다. 이러한 유체운동과 자기장의 상호작용(相互作用)은 자기유체역학(MHD: Magneto-Hydro Dynamics)에 의해 설명된다.

경도 및 pH조정공정의 처리수(유체)가 자계(磁界)를 형성한 자장 사이로 물이 통과하게 되면 유체의 제타(Zeta) 전위에 변화를 주어 로렌츠의 힘(Lorentz Force)이 발생하게 되어, 물의 구성분자들이 갖고 있는 고유의 총전하(總電荷)의 자기작용에 외부자기증폭을 가해 줌으로서 단일구성분자로 재구성, 균일한 분자 배열 대에 놓이게 된다. 유체가 물인 경우 물 분자의 클러스터(Cluster) 수치가 작아지면서 분자에너지를 활성화하는 기능수로 개질 된다. 이것을 학계에서는 분극작용(Polarization)이라 한다.

이렇게 처리된 처리수는 자성 배열 대에서는 관석(罐石: Scale) 등에 충격을 주어 결합, 응집력을 약하게 하며, 계속하여 자유전자가 공급되면 표면장력이 감소하여 이미 생성된 스케일(Scale)도 서서히 미세화되어 스케일(Scale) 생성이 억제하게 되면서 침투력, 용해력, 세정력, 정화력 등이 향상된 물로 개질 된다.

정전압도전처리 메커니즘(Mechanism)은, 물(유체)을 정전압도전관 내의 자장 을 수직방향으로 통과하면, 전기여기작용(電氣勵起作用)이 일어나 에너지(Energy)가 발생하여 물 분자 클러스터(Cluster)의 수소결합(水素結合)이 부분적으로 절단되면서 소형의 클러스터로 분할된다.

자기유체역학(MHD: Magneto-Hydro Dynamics)은, 유체의 흐름에 직각으로 자력선(磁力線)을 주면, 쌍방의 직각의 방향으로 전압(E)이 발생하며, 이 전압(E)은 자력선의 힘(자속밀도: B)과 액체의 유속(V)에 비례한다.

E = V X B, (E: 전압 V: 액체 유속 B: 자속밀도) ………………③

따라서 처리효율을 향상하기 위해서는 자속밀도가 큰 자장을 빠른 속도로 통과해야 한다.

이 기전력(起電力)에 의해서, 유체(물)로부터 자유전자가 빼앗겨(환원현상) 분자의 전자결합이 붕괴하여, 유체(물) 분자는 미세화된다. 이 현상에 의해서 물 분자의 연쇄결합이 무너져 클러스터(Cluster)가 작아진다.

물 분자는 상호 수소결합(水素結合)에 의해서 집단(Cluster)을 형성하고 있으며, 이와 같은 물(유체)이 정전압도전관의 자계(磁界) 내를 직각으로 횡단할 때, 물의 자유전자(自由電子)의 분극(分極)이 일어나, 유도전압(誘導電壓)을 발생하며, 이 유도전압에 의해서 전기에너지를 흡수하여 수소결합이 끊어져 물 분자 집단은 소집단화(小集團化)되어 작은 물 분자 집단인 소집단수(小集團水)로 개질 된다.

그리고 본 발명에서는 솔레노이드(Solenoid) 형태의 정전압도전관 내부에 자철광과 같은 자성체를 충전하고 솔레노이드 코일에 전류를 인가하면, 솔레노이드 내부의 자성체는 높은 자속밀도를 가지는 전자석의 역할을 하면서 물의 개질 효율 이 우수한 것을 알게 되어, 이의 원리를 이용한 정전압도전장치에 의해서 물을 개질한다.

본 발명의 정전압도전장치(3)는, 도 2에 나타내듯이, 비자성체(Non-magnetic substance)의 원형 용기(Vessel) 내에 자성체 충전물(6)을 충전(充塡)하고, 외부에는 링(Ring) 모양의 코일 포머(Coil former: 비자성체로 된 코일지지 틀)에 코일(Coil: 5)을 감고, 코일(5) 외부에 냉각관(7)을 설치하고, 코일(5)에 전류를 인가(印加)하였을 때 자기장(Magnetic field)을 생성할 수 있는 구조로 되어 있다.

정전압도전장치(3) 내부에 충전하는 자성체 충전물(6)은 천연에서 채굴(採掘)되는 자철광(磁鐵鑛)을 1∼20㎜Φ 크기로 파쇄한 자철광 괴(塊) 또는 시중에서 판매되는 자성 세라믹스(Ferrite ceramics) 중에서 한 종류를 사용한다.

코일 포머(Coil former: 4)는 폴리염화비닐(Polyvinyl chloride), 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리에틸렌(Polyethylene), ABS수지(Acrylonitrile butadiene styrene copolymer), 플루오르 수지(Fluororesin), 아크릴 수지(Acrylic resin), 에폭시 수지(Epoxy resin), 베이클라이트(Bakelite), 에보나이트(Ebonite), 플라스틱(Plastic), 유리섬유강화플라스틱(Fiber glass reinforced plastic, FRP), 나무, 알루미늄(Aluminium), 오스테나이트(Austenite) 조직을 가지는 스테인리스 스틸(Stainless steel), 티타늄(Titanium), 아연, 황동, 청동, 세라믹스(Ceramics)와 같은 비자성체(非磁性體) 재질 중에서 한 종류를 사용한다.

정전압도전장치(3)의 재질은, 자기누설(Magnetic leakage)을 막기 위하여 비자성체 조직(組織)인 오스테나이트(Austenite) 조직을 가지는 스테인리스 스 틸(Stainless steel), 티타늄(Titanium), 알루미늄(Aluminium), 아연, 황동, 청동, 세라믹스(Ceramics), 폴리염화비닐(Polyvinyl chloride), 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리에틸렌(Polyethylene), ABS 수지(Acrylonitrile butadiene styrene copolymer), 플루오르 수지(Fluororesin), 아크릴 수지(Acrylic resin), 에폭시 수지(Epoxy resin), 베이클라이트(Bakelite), 에보나이트(Ebonite), 플라스틱(Plastic), 유리섬유강화플라스틱(Fiber glass reinforced plastic, FRP) 중에서 한 종류를 사용한다.

컨트롤박스(8)로부터 코일(5)에 인가하는 컨트롤박스(8)로부터 소망의 저전압을 코일(5)에 인가하며, 주파수는 30∼350㎐의 범위로 한다.

정전압도전장치(3) 내부의 자장을 통과하는 물 분자 집단은 피코초(Picosecond)에 순간적으로 소집단화되기 때문에 체류시간은 별 의미가 없으며, 정전압도전장치(3)의 높이(길이)는 50∼120㎝로 한다.

그리고 유체가 정전압도전장치(3) 내부를 통과하는 속도(유속)는 빠를수록 처리효율이 향상되지만, 1.5∼4m/sec 범위로 유로의 단면적(斷面積)을 결정한다.

그리고 코일 포머(4)에 설치된 온도지시계(TI: Temperature indicator)의 온도가 50℃ 이하로 유지되도록 냉각관(7)에 냉각수를 공급한다.

그리고 주류제조 용수를 경비의 절감을 위해서 전 처리된 해양 심층수 또는 1차 탈염처리된 탈염수를 염분이 없는 지하수 또는 하천수를 정수한 수돗물과 같은 담수(淡水)로 희석하여 사용할 수도 있다.

Ⅴ. 주류제조용수를 주류제조에 이용하는 단계

1. 소주제조에 이용하는 방법

종래의 소주제조과정에서 주정을 희석하는 희석수를 상기 주류제조용수를 사용하여 주정을 희석하여 소주를 만든다.

2. 맥주제조에 이용하는 방법

종래의 맥주제조과정의 발효과정에서 사용하는 발효수(醱酵水)를 상기 주류제조용수를 사용하여 맥주를 만든다.

3. 막걸리제조에 이용하는 방법

종래의 막걸리제조과정의 발효과정에서 사용하는 발효수(醱酵水)와 희석수를 상기 주류제조용수를 사용하여 막걸리를 만든다.

4. 청주제조에 이용하는 방법

종래의 청주제조과정의 발효과정에서 사용하는 발효수(醱酵水)를 상기 주류제조용수를 사용하여 청주를 만든다.

5. 리큐어(Liqueur)제조에 이용하는 방법

증류하여 만든 주정에 과실, 과즙 또는 약초의 성분을 넣고, 설탕, 포도당, 꿀 또는 시럽 중에서 한 종류 이상의 감미료와 상기 주류제조용수를 알코올농도를 조정하기 위해 희석수로 사용하여 리큐어(Liqueur)를 만든다.

도 1은 해양 심층수를 탈염처리하여 주류 음료제조용수로 처리하는 공정도

도 2는 정전압도전처리에 의한 물의 개질공정도

도 3은 해양 심층수의 냉동에 따른 H₂O-NaCl계의 상평형도

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1: 경도 및 pH조정공정의 처리수 저장조

2: 경도 및 pH조정공정의 처리수 이송펌프

3: 정전압도전장치 4: 코일 포머(Coil former)

5: 코일(coil) 6: 자성체 충전물

7: 냉각관 8: 컨트롤박스

9: 주류제조용수 저장조 10: 주류제조용수 이송펌프

FI: 유량 지시계(Flow indicator) TI: 온도 지시계(Temprtature indicator)

Claims (8)

1. 해양 심층수를 취수하여 20∼30℃로 가온처리한 다음, 모래여과, 정밀여과, 한외여과 또는 나노여과를 한가지 이상의 공정을 조합한 여과를 하여 전 처리된 해양 심층수를 생산하는 해양 심층수의 전처리단계와,

   상기 전 처리된 해양 심층수는 역삼투여과공정, 전기투석공정, 전기추출공정 또는 냉동공정 중에서 선택된 한가지 공정에 의해서 1차 탈염처리하여 탈염수를 생산하는 1차 탈염단계와,

   상기 탈염수의 pH를 9∼11의 알칼리(Alkali)로 처리를 한 다음, 역삼투여과공정으로 보내어 붕소화합물이 제거된 여과수를 생산하는 2차 탈염단계와,

   상기 붕소화합물을 제거한 여과수의 pH를 5.8∼8.5로 조정하면서, 미네랄조정제를 공급하여 경도를 50∼1,000㎎/ℓ범위로 조정하는 경도 및 pH를 조정한 처리수를 물의 개질공정의 경도 및 pH조정공정의 처리수 저장조(1)에 주입하고, 경도 및 pH조정공정의 처리수 이송펌프(2)로 자성체 충전물(6)이 충전된 정전압도전장치(3) 하부로 공급하여 경도 및 pH조정공정의 처리수 저장조(1)로 경도 및 pH조정공정의 처리수 유입유량의 1∼4배의 유량을 반송하면서, 컨트롤박스(8)로부터 0.5∼10볼트(Volt)의 전압을 인가(印加)하여 물을 개질(改質)한 다음, 주류제조용수 저장조(9)로 보내었다가, 주류제조용수 이송펌프(10)로 주류제조에서 용수로 사용하는 주류제조용수를 생산하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 해양 심층수로부터 주류제조용수를 생산하는 방법.
2. 제1항의 붕소화합물을 제거한 여과수의 pH를 5.8∼8.5로 조정하면서, 미네랄조정제를 공급하여 경도를 50∼1,000㎎/ℓ범위로 조정하는 경도 및 pH를 조정한 처리수를 주류제조용수로 이용하는 것을 특징으로 하는 해양 심층수로부터 주류제조용수를 생산하는 방법.
3. 제1항의 해양 심층수를 1차 탈염처리한 탈염수 또는 전처리한 해양 심층수를 담수에 희석하여 주류제조용수로 이용하는 것을 특징으로 하는 해양 심층수로부터 주류제조용수를 생산하는 방법.
4. 제1항, 제2항 또는 제3항 중에서 선택된 한 종류의 주류제조용수를 소주제조과정에서 주정을 희석하는 희석수로 이용하여 소주를 만드는 방법.
5. 제1항, 제2항 또는 제3항 중에서 선택된 한 종류의 주류제조용수를 맥주제조과정의 발효과정에서 발효수(醱酵水)로 이용하여 맥주를 만드는 방법.
6. 제1항, 제2항 또는 제3항 중에서 선택된 한 종류의 주류제조용수를 막걸리제조과정의 발효과정에서 발효수(醱酵水)와 희석수로 이용하여 막걸리를 만드는 방법.
7. 제1항, 제2항 또는 제3항 중에서 선택된 한 종류의 주류제조용수를 청주제조과정의 발효과정에서 발효수(醱酵水)로 이용하여 청주를 만드는 방법.
8. 제1항, 제2항 또는 제3항 중에서 선택된 한 종류의 주류제조용수를 리큐어(Liqueur)제조에서 희석수로 이용하여 리큐어(Liqueur)를 만드는 방법.

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