Part 28. 드디어 공정을 그리기 시작하다 - Process Concept

Design Basis가 확정되었습니다.

 

지금까지 우리는 맥주 공장을 만들기 위해 필요한 조건들을 하나씩 정리했습니다.

 

무엇을 넣을 것인지, 얼마나 생산할 것인지, 하루 몇 시간 운전할 것인지, 어떤 온도와 압력에서 운전할 것인지, 어떤 재질을 사용할 것인지, 어떤 Utility를 사용할 것인지까지 결정했습니다.

 

하지만 엔지니어링 프로젝트에는 아주 중요한 문제가 하나 남아 있습니다.

 

그래서 실제로 어떻게 만들 것인가?

 

Design Basis 문서만 보고는 아직 공장이 보이지 않습니다. 생산량이 정해져 있어도 원료가 어디로 들어오는지는 보이지 않습니다. 운전온도가 정해져 있어도 어느 설비에서 가열되는지는 보이지 않습니다.

 

그리고 가장 중요한 질문도 아직 남아 있습니다.

맥주에 들어 있는 알코올을 실제 공정에서는 어떻게 제거할 것인가?

 

이제부터 그 답을 찾아야 합니다.

 

그리고 이 순간부터 엔지니어링에서는 Process Design이 본격적으로 시작됩니다.

 

 

1. 설계 기준을 공정으로 바꾸는 순간

 

앞서 Design Basis에서는 공장의 목표와 설계 조건을 정의했습니다.

 

예를 들어 Beer to Zero Project의 목표가 다음과 같다고 가정해 보겠습니다.

 

• Feed : 일반 맥주
• Product : 무알콜 맥주
• 목표 생산량 : 100 ton/day
• Feed Alcohol : 약 5 vol%
• Product Alcohol : 프로젝트에서 정의한 무알콜 기준 이하
• Product Quality : 기존 맥주의 맛과 향을 최대한 유지
• Continuous Operation : 연속 운전

이것만 보면 아직 공정이 없습니다.

 

단순히 다음과 같은 문장만 존재합니다.

 

“5% 정도의 알코올이 포함된 맥주를 받아 무알콜 맥주로 만든다.”

 

하지만 Process Engineer에게 이 문장은 출발점일 뿐입니다.

 

실제 설계를 위해서는 질문을 쪼개야 합니다.

맥주는 어디에서 들어오는가?

알코올은 무엇을 이용해 제거하는가?

알코올을 제거하면서 물과 맥주의 주요 성분은 어떻게 보호할 것인가?

제거된 알코올은 어디로 보내는가?

처리된 맥주는 어떻게 다시 제품으로 만드는가?

 

이 질문에 대한 답을 연결한 것이 바로 Process Concept입니다.

 

 

2. Process Concept란 무엇인가?

 

Process Concept는 말 그대로 “이 공장을 어떤 원리로 운전할 것인가”에 대한 큰 그림입니다.

 

아직 상세한 설비 사양을 결정하는 단계는 아닙니다.

 

예를 들어 다음과 같은 설비를 생각해 볼 수 있습니다.

 

• Feed Tank
• Pump
• Heat Exchanger
• Degasser
• Dealcoholization Unit
• Condenser
• Product Cooler
• Product Tank

하지만 여기서 중요한 것은 설비 이름 자체가 아닙니다.

 

이 설비들이 어떤 순서와 논리로 연결되는가가 중요합니다.

 

예를 들어 아주 단순화하면 다음과 같은 그림이 됩니다.

Beer Feed
   │
   ▼
Feed Tank
   │
   ▼
Pre-heater
   │
   ▼
Dealcoholization
   │
   ├──────────► Alcohol Stream
   │
   ▼
Cooling
   │
   ▼
Alcohol-free Beer
   │
   ▼
Product Tank

 

 

아직 Pump의 정확한 용량도 없습니다. Heat Exchanger의 면적도 없습니다. Dealcoholization 설비의 정확한 크기도 없습니다.

 

하지만 공장이 무엇을 해야 하는지는 보이기 시작합니다.

 

바로 이것이 Process Concept의 역할입니다.

 

 

3. 가장 먼저 해야 할 일은 ‘분리’입니다

 

Beer to Zero Project에서 가장 중요한 공정은 결국 분리(Separation)입니다.

 

일반 맥주에는 물과 에탄올뿐만 아니라 탄수화물, 단백질, 유기산, 홉 유래 성분, 향미 성분 등 다양한 물질이 존재합니다.

 

따라서 단순히 “알코올을 제거한다”라고 생각하면 안 됩니다.

 

우리가 원하는 것은 다음에 가깝습니다.

맥주의 다른 품질 특성은 최대한 유지하면서 Ethanol을 선택적으로 제거하는 것

 

이것이 생각보다 어려운 이유입니다.

 

알코올만 완벽하게 제거할 수 있다면 공정은 상당히 간단했을 것입니다.

 

하지만 실제 무알콜 맥주 제조에서는 에탄올 제거 과정에서 향과 맛을 구성하는 휘발성 성분까지 영향을 받을 수 있습니다. 따라서 산업적으로는 에탄올 제거와 제품 품질 보존 사이의 균형이 중요한 설계 문제가 됩니다.

 

즉, Process Engineer가 풀어야 하는 문제는 단순히 “Alcohol을 제거한다.”가 아니라, “Alcohol은 제거하면서 Beer의 특성은 최대한 유지한다.”입니다.

 

 

4. 그렇다면 알코올을 어떻게 제거할 것인가?

 

이제 여러 가지 Process Concept를 검토할 수 있습니다. 대표적으로는 크게 두 가지 방향으로 생각할 수 있습니다.

 

① 발효 단계에서 알코올 생성을 제한하는 방법

처음부터 에탄올이 많이 만들어지지 않도록 하는 방법입니다.

 

특정 효모를 사용하거나 발효 조건을 조절하는 방식 등이 여기에 포함됩니다.

 

이 방식의 장점은 애초에 제거해야 할 에탄올의 양을 줄일 수 있다는 것입니다.

 

하지만 일반 맥주와 동일한 맛과 향을 유지하면서 원하는 수준까지 알코올 생성을 제한하는 것은 별도의 공정개발 과제가 됩니다.

 

② 이미 만들어진 맥주에서 알코올을 제거하는 방법

두 번째는 일반 맥주를 만든 다음 Post-fermentation 단계에서 Ethanol을 제거하는 것입니다.

 

이 방식에서는 다시 여러 가지 공정이 가능합니다.

 

대표적으로는

 

• Vacuum Evaporation
• Vacuum Distillation / Rectification
• Reverse Osmosis
• Nanofiltration
• Dialysis
• Pervaporation
• Membrane Distillation

등을 고려할 수 있습니다.

 

따라서 Process Engineer가 처음부터 해야 하는 일은 “진공증류 설비를 넣자.”가 아닙니다.

 

먼저,

“어떤 분리 원리가 프로젝트의 요구사항을 가장 잘 만족하는가?”

 

를 검토해야 합니다.

 

 

5. Process Concept는 선택의 과정이다

 

이 부분이 Process Design에서 상당히 중요합니다.

 

설계 초기에 흔히 발생하는 실수는 설비부터 정하는 것입니다.

 

예를 들어

“무알콜 맥주니까 진공증류기를 설치하면 되겠네.”

 

라고 시작하면 안 됩니다. 먼저 요구사항을 정리해야 합니다.

 

요구사항	설계질문
Alcohol 제거	어느 수준까지 제거해야 하는가?
생산량	시간당 몇 kg 또는 ton을 처리해야 하는가?
품질	향과 맛을 얼마나 유지해야 하는가?
온도	제품이 견딜 수 있는 최대 온도는 얼마인가?
에너지	Steam과 Cooling Water를 얼마나 사용할 수 있는가?
운전	Batch인가 Continuous인가?
제품 손실	Alcohol 외 성분의 손실을 얼마나 허용할 것인가?
폐기물	제거된 Alcohol Stream은 어떻게 처리할 것인가?
경제성	CAPEX와 OPEX를 어느 수준까지 허용할 것인가?

 

이 조건들을 놓고 각각의 공정을 비교해야 합니다.

 

즉, Process Concept → Process Option 비교 → Process Selection이라는 순서가 됩니다.

 

 

6. 왜 진공이 중요한가?

 

Beer to Zero Project에서 앞으로 자주 등장하게 될 개념 중 하나가 Vacuum입니다.

 

에탄올을 제거하는 대표적인 방법 중 하나가 열을 이용한 증발 또는 증류입니다.

 

그런데 일반적인 압력에서 온도를 높여 맥주를 끓이면 문제가 생길 수 있습니다.

 

맥주는 단순한 물-에탄올 혼합물이 아니기 때문입니다.

 

열에 민감한 향미 성분 등이 존재하기 때문에 높은 온도에 오래 노출되면 제품의 관능적 특성에 영향을 줄 가능성이 있습니다. 그래서 산업적인 무알콜 맥주 제조에서는 진공을 이용해 증발 온도를 낮추는 방법이 사용됩니다. 문헌에서는 진공 열처리 방식이 대략 30~60°C 범위에서 운전되는 사례도 보고되어 있습니다.

 

원리는 간단합니다. 압력을 낮추면 액체의 끓는점이 낮아집니다.

 

따라서 같은 에탄올 제거를 하더라도 더 낮은 온도에서 증발을 유도할 수 있습니다.

 

개념적으로 표현하면 다음과 같습니다.

Normal Pressure
      │
      ▼
Higher Boiling Temperature
      │
      ▼
Thermal Exposure ↑
      │
      ▼
Quality Concern

        VS

Vacuum
      │
      ▼
Lower Boiling Temperature
      │
      ▼
Thermal Exposure ↓
      │
      ▼
Product Quality Protection

 

 

하지만 이것 역시 단순히 “진공을 걸면 된다”는 문제가 아닙니다.

 

진공도를 너무 높이면 다른 휘발성 성분의 손실이나 공정 운전상의 문제가 발생할 수 있기 때문입니다.

 

결국 압력, 온도, 체류시간, 분리효율, 제품 품질을 함께 검토해야 합니다.

 

 

7. 열분리와 막분리 사이에서

 

Process Concept 단계에서 또 하나 중요한 선택지는 Thermal Process와 Membrane Process입니다.

 

열분리 방식에서는 에탄올과 물 등의 휘발도 차이를 이용합니다.

 

대표적으로 진공 증류 또는 진공 증발을 생각할 수 있습니다.

 

반면 막분리에서는 특정 성분의 투과 특성을 이용하여 에탄올을 제거합니다.

 

막을 이용한 무알콜 음료 제조에는 Reverse Osmosis, Nanofiltration, Pervaporation, Membrane Distillation 등 다양한 기술이 연구되어 왔습니다. 특히 막분리 기술은 비교적 낮은 온도에서 운전할 수 있다는 점에서 열에 민감한 제품의 품질 보존 측면에서 관심을 받아왔습니다.

 

개념적으로 보면 다음과 같습니다.

                           Beer
                            │
          ┌────────┴────────┐
          ▼                                  ▼
   Thermal Process                    Membrane Process
          │                                  │
 Vacuum Evaporation                       RO / NF
 Vacuum Distillation                    Pervaporation
          │                         Membrane Distillation
          └────────┬────────┘
                            ▼
                      Dealcoholized Beer

 

 

어떤 방식이 항상 정답이라고 볼 수는 없습니다.

 

Feed의 조성, 생산량, 제품 품질 요구사항, 에너지 비용, 설비 투자비, 운전 경험, 유지보수성 등을 종합적으로 검토해야 하기 때문입니다.

 

따라서 Process Design에서 중요한 것은 특정 기술을 무조건 선택하는 것이 아니라 프로젝트의 요구조건에 맞는 공정을 논리적으로 선정하는 것입니다.

 

 

8. 이제 처음으로 ‘Stream’이 등장한다

 

Process Concept를 만들기 시작하면 엔지니어의 사고방식도 달라집니다.

 

이전까지는

“100 ton/day의 무알콜 맥주를 생산한다.”

 

라는 하나의 목표였습니다.

 

하지만 이제부터는 이것을 여러 개의 Stream으로 쪼개야 합니다.

 

예를 들어 단순화하면 다음과 같습니다.

                           ┌──► Alcohol-rich Stream
                           │
Feed Beer ──► Separation ┤
                           │
                           └──► Dealcoholized Beer

 

 

여기서부터 질문이 시작됩니다.

 

• Feed Beer는 몇 kg/h인가?
• 알코올은 몇 kg/h 들어오는가?
• Product에는 얼마가 남아야 하는가?
• 제거된 Alcohol은 몇 kg/h인가?
• Water는 얼마나 같이 제거되는가?
• 그리고 이 물질들이 각각 어느 설비로 이동하는가?

이 질문들이 바로 다음 단계인 Material Balance로 이어집니다.

 

 

9. Process Concept와 PFD

 

이 단계에서 엔지니어가 작성하기 시작하는 대표적인 문서가 PFD(Process Flow Diagram)입니다.

 

PFD는 공장의 모든 배관과 밸브를 상세하게 표현하는 도면이 아닙니다.

 

먼저 공정의 주요 흐름과 주요 설비를 보여주는 도면입니다.

 

예를 들어,

            Feed Beer
                │
                ▼
      ┌──────────┐
      │ Feed Tank          │
      └────┬─────┘
                │
                ▼
    ┌──────────────┐
    │ Heat Exchanger             │
    └──────┬───────┘
                  │
                  ▼
    ┌──────────────┐
    │ Dealcoholizer              │
    └──────┬───────┘
                  │
        ┌────┴────┐
        │                  │
        ▼                  ▼
   Alcohol                Beer
   Stream                Stream
                            │
                            ▼
                          Cooler
                            │
                            ▼
                      Product Tank

 

 

이 정도만 되어도 프로젝트 팀은 처음으로 같은 그림을 볼 수 있습니다.

 

Process Engineer는 이 그림을 보면서 공정을 설명하고, Mechanical Engineer는 어떤 장비가 필요한지 생각하고, Piping Engineer는 어떻게 연결할지 생각하고, Instrument Engineer는 무엇을 측정하고 제어해야 할지 생각합니다.

 

그리고 나중에는 이 PFD를 기반으로 P&ID가 만들어집니다.

 

즉, PFD는 단순한 그림이 아니라 여러 엔지니어링 분야가 같은 공정을 이해하기 위한 공통 언어가 됩니다.

 

 

10. 아직 아무것도 확정되지 않았다

 

여기서 중요한 것이 하나 있습니다.

 

Process Concept는 최종 설계가 아닙니다.

 

이 단계에서 그린 PFD에는 아직 빈칸이 많습니다. Pump의 정확한 용량도 정해지지 않았습니다. Heat Exchanger의 정확한 면적도 정해지지 않았습니다. 배관 Size도 확정되지 않았습니다. Valve Size도 없습니다. Control Logic도 상세하게 정의되지 않았습니다. 그렇다고 해서 설계가 부족한 것은 아닙니다.

 

오히려 지금은 상세하게 결정하면 안 되는 것들이 많습니다.

 

왜냐하면 다음 단계에서 Material Balance와 Energy Balance를 수행하면 조건이 바뀔 수 있기 때문입니다.

 

예를 들어 처음에는

“맥주 100 ton/day를 처리하면 되겠지.”

 

라고 생각했지만,

 

Material Balance를 계산해 보니 실제 Feed가 105 ton/day가 필요할 수도 있습니다.

 

그러면 Pump 용량도 달라지고, Heat Exchanger도 달라지고, Dealcoholization 설비의 처리량도 달라집니다.

 

결국 Process Design은 큰 그림 → 계산 → 검토 → 수정 → 다시 계산이라는 반복 과정입니다.

이런 경우를 보통 "Trial & Error", 시행착오법으로 불립니다. Process Design은 어떤 노하우가 쌓인 상태에서를 제외하면 한 번에 맞아떨어질 일이 없습니다. 그래서 주로 시행착오법을 통해 반복 계산이 진행됩니다.

 

11. 좋은 Process Concept는 무엇이 다른가?

 

좋은 Process Concept는 단순히 설비를 많이 그린 공정이 아닙니다.

 

오히려 다음 질문에 명확하게 답할 수 있는 공정입니다.

 

첫째, 무엇이 들어오는가?

Feed의 상태와 조성을 정의합니다.

 

둘째, 무엇을 해야 하는가?

공정의 핵심 목적을 정의합니다.

 

Beer to Zero Project에서는 핵심 목적이 Ethanol Removal입니다.

 

셋째, 무엇을 이용해 분리하는가?

열, 압력, 막, 증류 등의 분리 원리를 결정합니다.

 

넷째, 무엇을 버리고 무엇을 회수하는가?

Alcohol Stream과 Product Stream을 구분합니다.

 

다섯째, 제품의 품질을 어떻게 보호하는가?

온도, 압력, 체류시간 등의 조건을 고려합니다.

 

여섯째, 공정이 안정적으로 운전되는가?

Start-up, Shutdown, Control, Safety까지 이후 단계에서 검토할 수 있는 구조여야 합니다.

 

결국 Process Concept의 핵심은

“공장을 어떻게 구성하면 목표 제품을 안정적으로 만들 수 있는가?”

 

라는 질문에 대한 첫 번째 엔지니어링 답변입니다.

 

 

12. Beer to Zero Project의 첫 번째 공정 그림

 

이제 우리의 Beer to Zero Project도 처음으로 하나의 공정 그림을 갖게 되었습니다.

 

처음 프로젝트를 시작했을 때는 단순했습니다.

맥주를 넣는다.

알코올을 뺀다.

무알콜 맥주를 만든다.

 

하지만 Process Engineer의 손을 거치면서 조금씩 구체화됩니다.

                Feed Beer
                    │
                    ▼
              [Feed Tank]
                    │
                    ▼
            [Pre-treatment]
                    │
                    ▼
          [Dealcoholization]
             │            │
             │            └──────► Alcohol Stream
             ▼
        [Product Cooling]
                    │
                    ▼
            [Product Tank]
                    │
                    ▼
           Alcohol-free Beer

 

 

아직 이것은 완성된 공장이 아닙니다.

 

하지만 중요한 변화가 하나 일어났습니다.

 

“무알콜 맥주를 만든다”는 목표가 처음으로 “어떤 물질이 어디로 이동하는 공정”으로 바뀌었습니다.

 

그리고 이것이 Process Design의 시작입니다.

 

 

13. 다음 단계에서는 숫자가 들어온다

 

이제 그림만으로는 부족합니다.

 

Feed Beer가 정확히 얼마 들어오는지 알아야 합니다. 그 안에 Ethanol이 얼마나 들어있는지도 알아야 합니다. 그리고 Product에는 얼마나 남아야 하는지도 알아야 합니다. 더 나아가 제거 과정에서 물이 얼마나 같이 빠져나가는지도 알아야 합니다.

 

즉, 다음 질문은 자연스럽게 하나로 모입니다.

“그래서 각각의 Stream에는 물질이 얼마나 들어 있는가?”

 

이 질문에 답하기 위해 필요한 것이 바로 Material Balance입니다.

 

Process Concept가 공장의 뼈대를 만드는 단계라면,

 

Material Balance는 그 뼈대에 숫자를 넣는 과정입니다.

 

다음 Part에서는 Beer to Zero Project의 실제 Feed와 Product를 기준으로, “맥주 100 ton/day를 처리하면 각 Stream에는 무엇이 얼마나 흐르는가?”를 계산해 보겠습니다.

 

그 순간부터 우리가 그린 공정도는 단순한 그림이 아니라 계산 가능한 Process가 됩니다.

 

 

마무리

 

Design Basis에서는 공장의 조건을 정했습니다.

 

그리고 이제 Process Design에서는 그 조건을 실제 공정으로 바꾸기 시작했습니다.

 

Design Basis → 무엇을 만들어야 하는가

Process Concept → 어떤 원리로 만들 것인가

PFD → 주요 공정이 어떻게 연결되는가

Material Balance → 각 Stream에 무엇이 얼마나 흐르는가

 

이 흐름이 앞으로의 PART 4를 이끌게 됩니다.

 

무알콜 맥주는 단순히 맥주에서 알코올을 빼는 제품이 아닙니다.

 

어떤 물질을 제거하고, 어떤 물질을 남기며, 그 과정에서 제품의 품질을 어떻게 보호할 것인가를 결정하는 하나의 Separation Process입니다. 실제 연구에서도 무알콜 맥주 제조의 핵심 과제 중 하나를 에탄올 제거와 향·맛을 좌우하는 휘발성 성분의 보존 사이의 균형으로 보고 있습니다.

 

그리고 이제부터 그 복잡한 문제를 하나씩 엔지니어링 언어로 풀어보겠습니다.

 

Beer to Zero Project, 이제 진짜 공정 설계가 시작됩니다.

 

 

Beer to Zero Project 연재 순서

 

PART 4. Process Design — 맥주는 어떻게 무알콜이 되는가

 

• Part 28. 드디어 공정을 그리기 시작하다 - Process Concept
• Part 29. 맥주는 공장에서 어떻게 이동하는가 - Process Flow
• Part 30. 알코올을 어떻게 제거할 것인가 - Separation Process
• Part 31. 맥주의 성분은 어디로 이동하는가 - Material Balance
• Part 32. 열은 어디에서 들어오고 빠져나가는가 - Energy Balance
• Part 33. 실제 공정 조건을 계산하다 - Process Simulation
• Part 34. 장비의 크기는 어떻게 결정하는가 - Equipment Capacity
• Part 35. 열교환기는 얼마나 커야 하는가 - Heat Exchanger Sizing
• Part 36. 알코올 증기를 어떻게 회수할 것인가 - Condenser Design
• Part 37. 액체를 어떻게 이송할 것인가 - Pump Sizing
• Part 38. 진공은 어떻게 만들 것인가 - Vacuum System Design
• Part 39. 맥주를 어디에 저장할 것인가 - Tank Design
• Part 40. 공장을 세척하는 시스템 - CIP System
• Part 41. 공장에 필요한 Utility는 얼마나 되는가 - Utility Balance
• Part 42. 공정 전체를 한 장에 담다 - PFD 작성
• Part 43. Process Design을 하나의 공정도로 완성하다 - Design Review