Part 30. 알코올을 어떻게 제거할 것인가 - Separation Process

지난 Part 29에서는 드디어 맥주가 공장 안에서 어떻게 이동하는지를 Process Flow의 관점에서 살펴보았습니다.

 

원료가 투입되고, 맥주가 만들어지고, 그리고 최종적으로 무알코올 맥주가 되어 제품 탱크로 이동합니다.

 

그런데 Process Flow를 한 장의 도면으로 그려놓고 나니 한 가지 문제가 눈에 들어왔습니다.

 

“그래서 알코올은 도대체 어디서, 어떻게 빼는가?”

 

맥주에서 알코올만 쏙 빼내면 될 것 같지만 실제 공정에서는 그렇게 단순하지 않습니다.

 

맥주는 물과 에탄올만으로 이루어진 액체가 아니기 때문입니다. 맥주의 맛과 향을 만드는 다양한 휘발성 성분과 비휘발성 성분이 함께 존재합니다.

 

따라서 무알코올 맥주를 만드는 Separation Process의 핵심은 단순히 알코올을 제거하는 것이 아닙니다.

 

에탄올은 최대한 제거하면서 맥주의 맛과 향은 최대한 보존하는 것.

 

결국 이번 공정설계의 질문은 이렇게 바뀝니다.

“에탄올과 맥주의 나머지 성분을 어떻게 선택적으로 분리할 것인가?”

 

이 질문에 답하기 위해 이번에는 Separation Process를 살펴보겠습니다.

 

 

1. Separation Process란 무엇인가?

 

화학공정에서 Separation Process, 즉 분리공정은 혼합물에 포함된 여러 물질을 서로 분리하는 공정입니다.

 

증류탑에서 액체와 기체를 분리하거나, 필터에서 고체와 액체를 분리하거나, 막을 이용해 특정 물질만 통과시키는 것도 모두 Separation Process에 해당합니다.

 

가장 중요한 것은 혼합물의 물리적 또는 화학적 특성 차이를 이용한다는 것입니다.

 

예를 들어 두 물질의 끓는점이 다르면 증류를 이용할 수 있습니다.

 

막을 이용하는 경우에는 분자의 크기, 투과성, 용해도 또는 확산 특성 등의 차이를 이용할 수 있습니다.

 

결국 분리공정은 다음과 같은 질문에서 시작합니다.

“우리가 분리하려는 두 물질 사이에 어떤 차이가 있는가?”

 

Beer to Zero Project에서는 바로 이 질문을 해야 합니다.

 

우리가 제거하려는 물질은 Ethanol(에탄올)입니다.

 

그리고 최대한 남겨야 하는 것은 물, 향미 성분, 색, 쓴맛 성분과 같은 맥주의 품질을 결정하는 요소입니다.

 

 

2. 맥주에서 알코올을 제거하는 것이 어려운 이유

 

맥주의 주성분은 당연히 물입니다. 그런데 발효가 진행되면서 효모가 당을 소비하고 에탄올과 CO₂를 생성합니다.

 

대표적인 발효 반응은 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

 

$$ C_6H_{12}O_6 \rightarrow 2C_2H_5OH + 2CO_2 $$

 

여기서 생성되는 \(C_2H_5OH\)가 바로 에탄올입니다.

 

문제는 에탄올만 제거하고 싶다는 것입니다.

 

맥주에는 에탄올 외에도 다양한 휘발성 향기 성분이 존재합니다. 따라서 단순하게 가열해서 휘발성 물질을 날려버리면 에탄올뿐만 아니라 맥주의 향을 구성하는 성분까지 함께 손실될 수 있습니다.

 

실제로 맥주의 탈알코올화에서는 에탄올 제거 효율과 향미 성분 보존 사이의 Trade-off가 중요한 문제로 지적됩니다.

 

즉, 알코올을 잘 제거하는 공정 = 반드시 좋은 무알코올 맥주를 만드는 공정은 아닙니다.

 

이것이 일반적인 화학공정과 식음료 공정의 중요한 차이입니다.

 

화학공정에서는 목표 물질의 순도와 회수율이 매우 중요한 반면, 맥주에서는 최종적으로 사람이 마셨을 때의 Taste & Aroma까지 고려해야 하기 때문입니다.

 

 

3. 그렇다면 무엇을 이용해서 알코올을 분리할 것인가?

 

에탄올을 제거하는 방법은 크게 두 가지 방향으로 생각할 수 있습니다.

 

첫 번째는 열을 이용하는 방법입니다.

 

두 번째는 막을 이용하는 방법입니다.

 

문헌에서는 맥주의 탈알코올화 방법을 크게 Thermal Process와 Membrane Process로 구분하며, 대표적인 방법으로 Vacuum Distillation, Vacuum Evaporation, Reverse Osmosis, Dialysis, Osmotic Distillation 등을 제시하고 있습니다.

 

이를 간단하게 정리하면 다음과 같습니다.

 

구분	대표 공정	기본 원리	주요 특징
Thermal	Vacuum Distillation	휘발도 차이	에탄올 제거가 효과적
Thermal	Vacuum Evaporation	휘발성 차이	구조가 비교적 단순
Membrane	Reverse Osmosis	막 투과성 차이	저온 운전 가능
Membrane	Dialysis	농도차에 의한 확산	고압이 필요하지 않음
Membrane	Osmotic Distillation	증기압 차이	저온·저압 운전 가능
Membrane	Pervaporation	선택적 막 투과	에탄올 선택적 제거 가능

 

그렇다면 이 가운데 어떤 공정을 선택해야 할까요? 하나씩 살펴보겠습니다.

 

 

4. 방법 ① Vacuum Distillation

 

가장 먼저 생각할 수 있는 방법은 Vacuum Distillation, 진공증류입니다.

 

증류의 기본 원리는 매우 간단합니다. 혼합물에 포함된 물질의 휘발도 차이를 이용하는 것입니다.

 

맥주를 가열하면 상대적으로 휘발성이 높은 성분이 기상으로 더 많이 이동합니다. 이때 발생한 증기를 응축시키면 원래 액체와 다른 조성의 액체를 얻을 수 있습니다.

 

이것이 증류입니다.

 

그런데 맥주에는 한 가지 문제가 있습니다. 온도입니다.

 

일반적인 압력에서 맥주를 높은 온도로 가열하면 알코올뿐만 아니라 향기 성분이 손실될 수 있고, 열에 의해 제품 품질이 변화할 가능성도 있습니다.

 

그래서 등장하는 것이 Vacuum입니다. 압력을 낮추면 액체의 끓는점도 낮아집니다.

 

따라서 진공 조건에서는 대기압보다 낮은 온도에서 휘발성 성분을 제거할 수 있습니다.

 

실제 맥주 탈알코올화에서는 진공 증류 및 증발 공정이 약 30~60°C, 60~200mbar 수준의 조건에서 연구·적용되어 왔으며, 진공을 이용해 열에 의한 제품 손상을 줄이는 접근이 사용됩니다.

 

즉, 기본적인 Process Concept은 다음과 같습니다.

 

Beer → Heating → Vacuum Evaporation/Distillation → Ethanol-rich Vapor → Condensation

 

여기에서 엔지니어가 관리해야 할 핵심 변수는 다음과 같습니다.

 

• Operating Pressure
• Operating Temperature
• Residence Time
• Vapor Flow
• Condensation Temperature
• Ethanol Concentration
• Aroma Loss

특히 온도와 체류시간은 중요합니다.

 

같은 온도라도 제품이 오랫동안 열에 노출되면 품질에 미치는 영향이 달라질 수 있기 때문입니다.

 

결국 진공증류의 핵심은 단순히 “알코올을 끓여서 제거한다.”가 아닙니다.

 

정확하게는, “진공을 이용하여 가능한 낮은 온도에서 에탄올을 선택적으로 기화시키고, 제품의 열적 손상을 최소화한다.”라고 이해하는 것이 좋습니다.

 

 

5. 방법 ② Reverse Osmosis

 

두 번째 방법은 Reverse Osmosis, RO입니다.

 

RO는 우리가 정수나 해수담수화에서 흔히 접하는 기술입니다. 원리는 압력을 이용하여 반투과성 막을 통과시키는 것입니다.

 

맥주를 막의 한쪽에 공급하고 높은 압력을 가하면 일부 물질이 막을 통과하여 Permeate가 되고, 통과하지 못한 성분은 Retentate 쪽에 남습니다.

 

맥주 탈알코올화에서는 에탄올과 물 등이 막을 통과하는 방향으로 운전하고, 상대적으로 큰 향미 성분 등은 Retentate에 남기는 것을 목표로 합니다.

 

개념적으로 표현하면 다음과 같습니다.

 

Beer → High Pressure Pump → RO Membrane 그리고 Retentate → Alcohol-reduced Beer, Permeate → Ethanol + Water + 일부 휘발성 성분

 

이 방식의 장점은 명확합니다. 높은 온도로 맥주를 끓이지 않아도 됩니다. 따라서 열에 민감한 제품을 처리하는 데 유리할 수 있습니다.

 

하지만 RO에도 문제가 있습니다. 에탄올만 통과시키는 완벽한 선택막이 아니기 때문입니다.

 

물과 에탄올뿐만 아니라 CO₂와 일부 향기 성분도 영향을 받을 수 있습니다. 또한 막 오염(Fouling)에 의해 시간이 지나면서 투과유량이 감소할 수 있습니다.

 

따라서 RO에서는 다음과 같은 설계 문제가 중요합니다.

 

• Membrane Selectivity
• Transmembrane Pressure
• Permeate Flux
• Membrane Fouling
• Cleaning
• Product Loss
• CO₂ Loss

즉, RO 역시 단순한 “알코올 제거 장치”가 아닙니다.

 

막을 통과시키고 싶은 물질과 통과시키고 싶지 않은 물질을 얼마나 잘 구분할 수 있는가가 핵심입니다.

 

 

6. 방법 ③ Dialysis와 Osmotic Distillation

 

조금 더 특수한 막 분리 기술도 있습니다. 대표적인 것이 Dialysis와 Osmotic Distillation입니다.

 

Dialysis에서는 맥주와 Dialysate가 반투과성 막을 사이에 두고 흐르면서 농도차에 의해 물질이 이동합니다.

 

RO와 달리 높은 압력으로 막을 밀어붙이는 방식이 아니기 때문에 고압 펌프가 필요하지 않다는 특징이 있습니다.

 

Osmotic Distillation은 소수성 미세다공성 막을 이용해 휘발성 성분의 증기압 차이를 구동력으로 사용하는 방식입니다.

 

맥주 측의 에탄올이 막을 통과하고 반대쪽에서 흡수되는 구조입니다.

 

낮은 온도에서 운전할 수 있다는 것이 장점이지만, CO₂와 같은 휘발성 성분의 손실 및 별도의 회수 설비가 필요할 수 있습니다.

 

이러한 기술들은 모두 하나의 공통된 방향을 가지고 있습니다.

 

“가능하면 맥주를 높은 온도로 가열하지 말자.”

 

이는 단순한 에너지 절약의 문제가 아닙니다. 제품의 품질을 보호하기 위한 것입니다.

 

 

7. 그렇다면 어떤 공정을 선택해야 하는가?

 

여기서부터가 Process Engineer의 일입니다.

 

공정 기술을 단순히 나열하는 것으로 설계가 끝나는 것이 아닙니다.

 

각 공정의 장단점을 비교하고 Project Requirement에 맞는 Process를 선정해야 합니다.

 

예를 들어 다음과 같은 평가 기준을 설정할 수 있습니다.

 

평가 항목	Vacuum Distillation	RO	Dialysis	Osmotic Distillation
Ethanol Removal	높음	높음	중간	높음
저온 운전	가능	유리	유리	유리
Thermal Damage Risk	존재	낮음	낮음	낮음
CO₂ Loss	존재 가능	존재 가능	상대적으로 낮음	존재 가능
Membrane Fouling	없음	존재	존재	존재
고압 설비	상대적으로 낮음	필요	불필요	낮음
설비 복잡도	중간	중~높음	중간	중~높음
Zero Alcohol 접근성	유리	제한 가능	제한 가능	가능

 

다만 이러한 비교는 절대적인 순위가 아닙니다.

 

실제 설비 선정에서는 제품의 초기 Alcohol Content, 목표 Alcohol Content, 생산량, 제품 품질 요구조건, Utility 비용, CAPEX, OPEX, Membrane 특성, 세정 조건 등을 함께 검토해야 합니다.

 

특히 문헌에서도 각각의 기술이 알코올 제거 성능뿐 아니라 향미 성분 보존, 에너지 소비, 막 오염 및 후처리 등의 서로 다른 Trade-off를 갖는 것으로 보고되고 있습니다.

 

 

8. Beer to Zero Project에서 중요한 것은 '알코올 제거'가 아니다

 

여기서 잠시 프로젝트의 목적을 다시 생각해보겠습니다.

 

우리가 만드는 것은 단순한 Ethanol Recovery Plant가 아닙니다.

 

목표 제품은 맥주입니다. 따라서 공정의 성공 여부를 단순히 다음 식으로 판단할 수 없습니다.

 

$$\text{High Ethanol Removal}$$

 

오히려 다음과 같이 생각해야 합니다.

 

$$ \text{Ethanol Removal} + \text{Product Quality Retention} + \text{Energy Efficiency} + \text{Process Reliability} $$

 

즉, 알코올을 얼마나 많이 제거했는가? 뿐만 아니라,

 

• 맥주의 맛과 향을 얼마나 보존했는가?
• 얼마나 많은 에너지를 사용했는가?
• 공정이 안정적으로 운전되는가?

까지 함께 봐야 합니다. 이것이 Separation Process Design의 핵심입니다.

 

 

9. 실제 공정에서는 Separation 하나로 끝나지 않는다

 

또 하나 중요한 점이 있습니다.

 

실제 공장에서는 Separation Equipment 하나만 설치한다고 공정이 완성되지 않습니다.

 

예를 들어 Vacuum Distillation을 선택했다고 가정해 보겠습니다.

 

그렇다면 Process Flow는 단순히 Beer → Distillation → Product로 끝나지 않습니다.

 

실제 설계에서는 다음과 같은 설비들이 함께 검토되어야 합니다.

 

1. Feed Tank
2. Feed Pump
3. Preheater / Heat Exchanger
4. Vacuum Dealcoholization System
5. Condenser
6. Ethanol-containing Condensate

그리고 제품 측에서는

 

1. Cooling
2. Carbonation
3. Product Tank

과 같은 후속 공정이 필요할 수 있습니다.

 

또한 진공 시스템을 구성하기 위해 Vacuum Pump 또는 Ejector, 응축수를 처리하기 위한 Condensate System, 압력과 온도를 제어하기 위한 Control Valve와 Instrumentation 등이 필요합니다.

 

즉, Separation Process를 선정한다는 것은 단순히 장비 하나를 고르는 일이 아닙니다.

 

하나의 Process System을 결정하는 일입니다.

 

 

10. Process Engineer가 Separation을 설계할 때 보는 것

 

이제 엔지니어의 관점에서 다시 정리해 보겠습니다.

 

Separation Process를 선정할 때 가장 먼저 해야 할 일은 Feed와 Product를 정의하는 것입니다.

 

예를 들어 다음과 같은 정보를 알아야 합니다.

 

Feed Condition

• Beer Flow Rate
• Alcohol Concentration
• Temperature
• Pressure
• pH
• CO₂ Content
• Solids
• Aroma Components

 

Product Requirement

• 목표 Alcohol Concentration
• Product Flow Rate
• Taste & Aroma Requirement
• Carbonation Requirement
• Temperature
• Pressure

 

이 데이터가 있어야 물질수지를 세울 수 있습니다.

 

예를 들어 Feed의 질량유량을 \(F\), Product를 \(P\), 제거되는 Stream을 \(D\)라고 하면 전체 물질수지는 다음과 같습니다.

 

$$ F = P + D $$

 

에탄올에 대해서는 별도의 Component Balance를 세울 수 있습니다.

 

$$ F x_F = P x_P + D x_D $$

 

여기서

 

• \(F\) = Feed Flow Rate
• \(P\) = Product Flow Rate
• \(D\) = Removed Stream Flow Rate
• \(x_F\) = Feed의 Ethanol Fraction
• \(x_P\) = Product의 Ethanol Fraction
• \(x_D\) = Removed Stream의 Ethanol Fraction

입니다. 이 계산을 통해 얼마나 많은 알코올을 제거해야 하는지, 그리고 얼마나 많은 제품 손실이 발생할 수 있는지를 먼저 확인할 수 있습니다. 그다음에야 Equipment Sizing과 Utility Calculation으로 넘어갈 수 있습니다.

 

 

11. 결국 Separation Process는 '선택'의 문제다

 

Beer to Zero Project의 Separation Process를 검토하면서 중요한 사실을 하나 발견했습니다.

 

알코올을 제거하는 기술은 하나가 아닙니다.

 

진공증류가 있고, 진공증발이 있고, RO가 있고, Dialysis가 있고, Osmotic Distillation과 Pervaporation 같은 막 기술도 있습니다.

 

그리고 각각에는 장점과 단점이 있습니다.

 

따라서 Process Engineer에게 중요한 능력은 “어떤 기술이 가장 좋은가?”라는 질문에 무조건 하나의 답을 내리는 것이 아닙니다.

 

오히려, “우리 Project의 Requirement에서 어떤 기술이 가장 적합한가?”를 판단하는 것입니다.

 

예를 들어 생산량이 매우 크고 높은 수준의 알코올 제거가 필요하다면 Thermal Separation의 장점이 커질 수 있습니다.

 

반대로 제품의 열적 손상을 최소화해야 하고 막을 이용한 저온 처리가 중요하다면 Membrane Process를 검토할 수 있습니다.

 

결국 설계는 항상 Trade-off의 문제입니다.

 

 

12. Beer to Zero Project의 다음 단계

 

이제 우리는 공정의 큰 그림을 하나씩 완성해가고 있습니다.

 

Part 28에서는 Process Concept을 결정했습니다.

 

Part 29에서는 그 Concept을 실제 공정의 흐름으로 연결하는 Process Flow를 살펴봤습니다.

 

그리고 이번 Part 30에서는 그 흐름 안에서 가장 중요한 핵심 단위공정 중 하나인 Separation Process를 검토했습니다.

 

하지만 아직 장비의 크기는 정해지지 않았습니다.

 

진공을 얼마나 걸어야 하는지, 열교환기는 얼마나 커야 하는지, 증발기는 얼마나 많은 열을 공급해야 하는지, 콘덴서는 얼마만큼의 열을 제거해야 하는지, 진공펌프는 어느 정도 용량이 필요한지, 그리고 최종적으로 Utility를 얼마나 사용하게 되는지도 아직 결정되지 않았습니다.

 

이제부터가 진짜 Process Design입니다.

 

공정의 원리를 결정했다면, 이제 그 공정을 실제 숫자로 바꾸어야 합니다.

 

다음 단계에서는 선택한 Separation Process를 기준으로 “얼마나 많은 알코올을 제거해야 하는가?” 그리고 “그 과정에서 물질은 얼마나 이동하는가?”를 계산해야 합니다.

 

 

마무리

 

무알코올 맥주를 만드는 것은 단순히 맥주를 끓여서 알코올을 날리는 작업이 아닙니다.

 

그 안에는 증류, 증발, 막분리, 물질수지, 열수지, 진공, 열교환, Utility 그리고 제품 품질이라는 여러 엔지니어링 요소가 동시에 존재합니다.

 

특히 Separation Process에서 가장 중요한 것은 무엇을 제거할 것인가 보다 무엇을 남길 것인가입니다.

 

우리가 제거해야 하는 것은 에탄올이지만, 우리가 지켜야 하는 것은 맥주의 정체성입니다.

 

결국 좋은 Separation Process란 알코올을 많이 제거하는 공정이 아니라,

 

필요한 성분은 남기고 불필요한 성분은 원하는 수준까지 제거하는 공정입니다.

 

Beer to Zero Project도 이제 여기까지 왔습니다.

 

공정을 그렸다면, 다음 질문은 자연스럽게 하나로 좁혀집니다.

 

“그래서 이 공정에서 물질은 얼마나 들어오고, 얼마나 나가는가?”

 

다음 편에서는 이 질문에 답해보겠습니다.

 

Part 31. 공장에 들어온 물질은 어디로 가는가 - Material Balance

 

 

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