Part 8. 어떤 방식으로 알코올을 제거할 것인가 - Process Selection

“그래서, 어떤 공정으로 만들 겁니까?”

 

앞선 검토를 통해 프로젝트의 윤곽이 어느 정도 잡혔습니다.

 

고객이 원하는 제품이 무엇인지 정의했고, 목표 생산량을 결정했습니다.

 

공장을 설치할 Site의 조건도 확인했고, 기존 공장과 신규 설비 사이의 Battery Limit도 설정했습니다.

 

그리고 가장 중요한 질문 중 하나인 “이 프로젝트가 기술적으로 가능한가?”에 대해서도 검토했습니다.

 

이제 다음 질문이 남았습니다.

“가능하다는 것은 알겠는데, 실제로 어떤 공정을 사용할 것인가?”

 

바로 Process Selection, 즉 공정 선정입니다.

 

이 단계부터는 단순히 기술적으로 가능한 방법을 찾는 것이 아닙니다.

 

여러 가지 가능한 공정 중에서 제품 품질, 생산능력, 투자비, 운전비, 에너지 사용량, 기존 설비와의 연계성, 운전 난이도 등을 종합적으로 비교해 하나의 공정을 선택해야 합니다.

 

그리고 이번 프로젝트에서 그 대상은 명확합니다. Beer에서 알코올을 제거하면서도 일반 맥주에 가까운 맛과 향을 최대한 유지하는 것. 이것이 이번 Process Selection의 핵심입니다.

 

 

1. 먼저 질문을 바꿔야 한다

 

처음 이 프로젝트를 접하면 공정 선정은 상당히 단순해 보일 수 있습니다.

 

“맥주에서 알코올을 빼면 되는 것 아닌가?” 화학공학적으로 보면 맞는 말입니다.

 

에탄올을 제거하는 방법은 여러 가지가 있습니다. 증류를 할 수도 있고, 막을 사용할 수도 있습니다.

 

하지만 Beer to Zero Project에서는 단순히 에탄올만 제거하면 끝나는 것이 아닙니다.

 

맥주에는 물과 에탄올 외에도 탄수화물, 단백질, 유기산, 폴리페놀, 향기 성분 등 다양한 성분이 존재합니다.

 

문제는 이들 중 일부가 에탄올과 함께 이동할 수 있다는 것입니다.

 

결국 우리가 원하는 것은 다음과 같은 분리입니다.

Ethanol은 최대한 제거하고, Beer의 Flavor와 Aroma는 최대한 남긴다.

 

실제로 무알코올 맥주 제조에서 가장 어려운 부분 중 하나도 바로 이것입니다. 기존의 열 기반 Dealcoholization 공정은 에탄올을 효과적으로 제거할 수 있지만, 휘발성 향기 성분의 손실이 제품의 관능 특성에 영향을 줄 수 있기 때문입니다.

 

따라서 이번 Process Selection에서는 단순한 “분리 효율”만 볼 수 없습니다.

 

 

2. 후보 공정을 먼저 펼쳐본다

 

Beer의 알코올을 낮추는 방법은 크게 두 가지 방향으로 생각할 수 있습니다.

 

① 처음부터 알코올이 많이 만들어지지 않도록 하는 방법

발효 단계에서 알코올 생성을 제한하는 방식입니다.

 

특수 효모를 사용하거나 발효 조건을 변경하여 처음부터 낮은 알코올 농도의 Beer를 만드는 접근입니다.

 

② 일반 Beer를 만든 뒤 알코올을 제거하는 방법

이미 발효가 완료된 Beer에서 Ethanol을 제거하는 방식입니다.

 

대표적으로 다음과 같은 방법들이 있습니다.

 

• Vacuum Evaporation
• Vacuum Distillation
• Reverse Osmosis
• Dialysis
• Pervaporation
• Membrane Distillation 등

문헌에서도 무알코올 맥주 제조기술을 크게 Biological Method와 Physical Dealcoholization Method로 구분하고 있으며, 물리적 방법에서는 열 기반 및 막 기반 기술이 주요한 접근법으로 다뤄지고 있습니다.

 

그렇다면 우리 프로젝트에서는 어떤 방향이 적합할까요?

 

 

3. Biological Method — 처음부터 알코올을 적게 만든다면?

 

가장 먼저 생각할 수 있는 방법입니다.

 

일반적인 Beer 제조에서는 효모가 당을 발효시키면서 Ethanol을 생성합니다.

 

따라서 반대로 생각하면 됩니다.

 

“그렇다면 Ethanol이 많이 만들어지지 않도록 발효시키면 되지 않을까?”

 

실제로 가능합니다.

 

발효 조건을 제한하거나 특수 효모를 사용하여 알코올 생성을 줄이는 방법이 연구 및 산업적으로 사용되고 있습니다. 예를 들어 일부 특수 효모는 일반적인 맥아즙의 발효성 당을 제한적으로 이용하여 낮은 알코올 생성량을 보이는 특성이 있습니다.

 

장점은 분명합니다. 기존 Brewery 설비를 상당 부분 활용할 수 있고, 별도의 대규모 Alcohol Removal System이 필요하지 않을 수 있습니다.

 

하지만 문제가 있습니다. 우리가 원하는 것은 단순히 알코올이 적은 음료가 아닙니다.

 

이번 프로젝트의 목표는 일반 Beer와 최대한 유사한 제품 특성을 유지하면서 Alcohol Content를 낮추는 것입니다.

 

발효 자체를 제한하면 알코올뿐만 아니라 Beer의 맛과 향을 형성하는 여러 요소에도 영향을 줄 수 있습니다.

 

즉,

알코올을 만들지 않는 것과, 만들어진 알코올을 선택적으로 제거하는 것은 전혀 다른 문제입니다.

 

따라서 이번 프로젝트에서는 Post-Fermentation Dealcoholization, 즉 일반적인 Beer를 먼저 제조한 뒤 알코올을 제거하는 방향을 우선 검토하기로 합니다.

 

 

4. 첫 번째 후보 — Vacuum Evaporation / Distillation

 

그렇다면 가장 먼저 떠오르는 방법은 증류입니다. 화학공학을 공부했다면 익숙한 원리입니다.

 

물질마다 휘발도가 다르다는 점을 이용하여 원하는 성분을 분리하는 방법입니다.

 

Ethanol은 Water보다 휘발성이 높기 때문에 적절한 조건에서 증발시켜 제거할 수 있습니다.

 

그런데 Beer에 그대로 적용하면 문제가 생깁니다.

 

높은 온도에서 Beer를 장시간 가열하면 Ethanol뿐만 아니라 향기 성분도 함께 손실될 가능성이 있습니다.

 

그래서 Beer의 Dealcoholization에서는 Vacuum이 중요해집니다.

 

압력을 낮추면 물질의 끓는점이 낮아지기 때문입니다. 즉,

압력을 낮춰 상대적으로 낮은 온도에서 Ethanol을 제거한다.

 

이것이 Vacuum Evaporation 또는 Vacuum Distillation의 기본적인 접근입니다.

 

실제 Beer Dealcoholization에서 열 기반 공정은 일반적으로 Vacuum 조건에서 운전하여 열에 의한 품질 저하를 줄이는 방향으로 설계됩니다. 문헌에서는 대표적인 운전 범위로 약 30~60°C, 60~200mbar 수준이 보고되어 있습니다.

 

장점도 분명합니다.

 

• 대량 처리에 적합
• Ethanol 제거 능력이 높음
• 매우 낮은 Alcohol Content까지 접근 가능
• 산업적으로 검증된 기술

반면 단점도 있습니다. Beer의 Aroma와 Flavor를 완전히 보존하기 어렵다는 점입니다.

 

따라서 단순한 증류공정이라면 “알코올 제거”라는 목적은 달성할 수 있지만, “맥주다운 맛을 유지한다”는 Product Specification까지 만족할 수 있는지가 핵심 검토사항이 됩니다.

 

 

5. 두 번째 후보 — Reverse Osmosis

 

다음은 완전히 다른 접근입니다.

 

이번에는 열을 이용하지 않습니다. Membrane을 이용합니다.

 

Reverse Osmosis, 즉 RO는 압력을 이용해 막을 통과할 수 있는 성분과 그렇지 않은 성분을 분리하는 공정입니다.

 

Beer를 막에 공급하고 높은 압력을 가하면 일부 물과 Ethanol 등이 막을 통과하고, 상대적으로 큰 성분들은 Retentate 측에 남는 방식으로 접근할 수 있습니다.

 

문헌상 Beer Dealcoholization에 적용되는 RO는 일반적으로 상당한 Transmembrane Pressure를 필요로 하며, 저온 조건에서 운전하여 Beer의 품질 변화를 줄이는 방향으로 사용됩니다.

 

이 방식의 가장 큰 장점은 명확합니다.

 

낮은 온도에서 운전할 수 있다는 것. 즉, 열에 민감한 Flavor와 Aroma 성분의 손실을 줄이는 데 유리할 수 있습니다.

 

그렇다면 RO가 완벽한 해결책일까요? 그렇지는 않습니다.

 

실제 연구에서는 RO Dealcoholization 과정에서도 일부 휘발성 성분의 손실과 관능 특성 변화가 확인되었으며, Beer 종류에 따라 처리시간과 Membrane Fouling의 영향도 달라질 수 있는 것으로 보고되었습니다.

 

결국 Membrane Process 역시

“Ethanol만 통과시키고 나머지는 완벽하게 남긴다.”

 

라고 단순하게 생각할 수는 없습니다.

 

 

6. 세 번째 후보 — Pervaporation과 Membrane Technology

 

막 기술 중에는 조금 더 선택적인 접근도 있습니다. 대표적인 것이 Pervaporation입니다.

 

Pervaporation은 액체 상태의 Feed가 Membrane을 통과한 뒤 Permeate 측에서 기체 상태로 빠져나가도록 하는 막 분리 공정입니다.

 

쉽게 표현하면,

Beer는 액체로 유지하면서, Membrane을 통해 Ethanol을 선택적으로 빼내는 것

 

입니다.

 

특히 Pervaporation은 Ethanol 제거와 함께 Aroma Recovery를 고려할 수 있다는 점에서 관심을 받고 있습니다. 관련 연구에서는 Beverage의 품질을 유지하면서 Ethanol을 제거하기 위한 Membrane Technology로 Pervaporation을 검토하고 있습니다.

 

또 다른 후보로는 Membrane Distillation도 있습니다.

 

이 경우에도 Membrane을 사이에 두고 Vapor Pressure 차이를 이용하여 휘발성 성분을 이동시키는 방식으로 Ethanol을 제거할 수 있습니다. Beer Dealcoholization에 적용한 연구에서는 Beer의 주요 비휘발성 성분을 유지하면서 Ethanol을 제거할 가능성이 확인되었습니다.

 

하지만 여기서 엔지니어가 다시 고민해야 합니다.

 

“좋은 기술이라는 것과 우리 공장에 적합한 기술이라는 것은 같은 것인가?” 당연히 그렇지 않습니다.

 

 

7. Process Selection은 기술 하나를 고르는 일이 아니다

 

이제 후보 공정이 어느 정도 정리되었습니다.

 

구분	Vacuum Evaporation / Distillation	Reverse Osmosis	Pervaporation / Membrane
분리 원리	휘발도 차이	막 선택성	막 선택성 + 기화
주요 Driving Force	열/압력	압력	농도·증기압/진공
운전 온도	상대적으로 높음	낮은 온도 가능	낮은 온도 가능
Ethanol 제거	우수	우수	우수
Aroma 보존	상대적으로 불리	비교적 유리하나 손실 가능	유리한 접근 가능
설비 복잡성	비교적 높음	높음	높음
Membrane Fouling	없음	주요 고려사항	주요 고려사항
산업 적용성	높음	높음	적용 조건 검토 필요
투자비/운전비	프로젝트 조건에 따라 검토	프로젝트 조건에 따라 검토	프로젝트 조건에 따라 검토

 

하지만 실제 Engineering에서는 이 표만 가지고 공정을 결정하지 않습니다. 여기서부터가 Process Selection의 진짜 시작입니다.

 

 

8. 엔지니어는 무엇을 기준으로 공정을 선택할까?

 

이번 Beer to Zero Project에서는 다음과 같은 기준을 설정해 보겠습니다.

 

① Product Quality

가장 먼저 봐야 합니다. 고객이 원하는 Alcohol Content를 만족하는 것은 기본입니다.

 

그다음은 Flavor, Aroma, Color, Body, Bitterness 등 Beer의 품질 특성이 얼마나 유지되는지 확인해야 합니다.

 

② Capacity

하루 생산량이 얼마인지에 따라 이야기가 달라집니다.

 

예를 들어 시간당 수백 L를 처리하는 설비와 시간당 수십 m³ 를 처리하는 설비는 동일한 방식으로 설계할 수 없습니다.

 

따라서 앞서 Part 4에서 결정했던 Production Capacity와 연계하여 공정의 처리능력을 검토해야 합니다.

 

③ Energy Consumption

Vacuum System, Heater, Cooler, Chiller, Pump 등 각종 Utility가 필요합니다. 특히 Thermal Process에서는 열에너지가 중요한 비용 요소가 됩니다.

 

반대로 Membrane Process에서는 고압 Pump의 전력, 냉각, Membrane 교체 및 세정 등이 중요한 요소가 될 수 있습니다.

 

결국 단순히 “증류가 싸다.” 또는 “Membrane이 에너지가 적게 든다.”라고 단정할 수 없습니다.

 

실제 프로젝트 조건에서 Utility Balance를 계산해야 합니다.

 

④ CAPEX

설비를 설치하는 데 필요한 투자비입니다.

 

Column, Evaporator, Condenser, Vacuum System, Membrane Module, Pump, Heat Exchanger 등 필요한 장치가 무엇인지 확인해야 합니다.

 

여기에는 장치 가격만 들어가는 것이 아닙니다.

 

Piping, Instrumentation, Electrical, Civil, Installation, Insulation 등 프로젝트 전체 비용을 함께 봐야 합니다.

 

⑤ OPEX

운전비 역시 중요합니다.

 

전기, Steam, Cooling Water, Chilled Water, Membrane Replacement, Cleaning Chemical, Maintenance Cost 등이 포함됩니다.

 

따라서 초기 투자비가 낮은 공정이 반드시 경제성이 좋은 공정은 아닙니다.

 

CAPEX와 OPEX를 함께 봐야 합니다.

 

⑥ Existing Facility Integration

이번 프로젝트에서는 특히 중요한 항목입니다.

 

앞선 Part 6에서 Battery Limit을 설정했기 때문입니다.

 

기존 Brewery에서 Beer를 받아온다면 기존 설비와 신규 Dealcoholization Unit을 어떻게 연결할 것인지 검토해야 합니다.

 

예를 들어,

 

• Beer Feed Line
• Product Return Line
• Cooling System
• Steam
• Chilled Water
• CIP
• Electrical
• Instrument Air
• Nitrogen
• Wastewater

등을 확인해야 합니다. 즉, Process Selection은 독립된 공정 하나를 고르는 일이 아니라 기존 Plant와 새로운 Process를 연결하는 설계의 출발점이 됩니다.

 

 

9. 그렇다면 Beer to Zero Project에서는 무엇을 선택할까?

 

여기까지 검토했다면 이제 하나를 선택해야 합니다.

 

이번 프로젝트의 Product Specification은 단순한 “저알코올 음료”가 아닙니다.

 

일반 Beer의 품질을 최대한 유지하면서 Alcohol Content를 낮추는 것입니다.

 

따라서 이번 프로젝트에서는 우선적으로 Vacuum 기반 Thermal Dealcoholization과 Membrane 기반 Dealcoholization을 핵심 후보로 선정하고, 그중 실제 프로젝트 조건에서 경제성과 품질을 동시에 만족하는 공정을 결정하는 방향으로 접근하겠습니다.

 

그리고 여기서 한 가지 중요한 사실을 기억해야 합니다.

 

Process Selection 단계에서 반드시 최종 공정이 확정되는 것은 아닙니다.

 

실제 EPC 프로젝트에서는 기본설계 단계에서 공정 Simulation, Vendor Data, Pilot Test, Utility Calculation, CAPEX/OPEX 비교 등을 수행하면서 최종 Process Configuration이 구체화될 수 있습니다.

 

특히 식음료 공정에서는 숫자로 표현되는 Separation Efficiency만으로는 부족합니다.

 

최종 제품의 관능 품질(Sensory Quality)까지 확인해야 하기 때문입니다.

 

결국 이 프로젝트에서 가장 중요한 질문은 다음과 같이 바뀝니다.

“알코올을 얼마나 잘 제거할 수 있는가?”

 

가 아니라,

“알코올을 제거하면서 얼마나 Beer 답게 남길 수 있는가?”

 

입니다. 이것이 바로 Beer to Zero Project에서 Process Selection이 중요한 이유입니다.

 

 

10. Process Selection이 끝나면 무엇이 남을까?

 

이제 우리는 프로젝트의 가장 중요한 초기 의사결정을 상당 부분 끝냈습니다.

 

고객의 요구를 정의했고, Product Specification을 만들었고, 생산능력을 결정했으며, Site와 Battery Limit을 설정했습니다.

 

그리고 Feasibility를 검토한 뒤, 실제로 어떤 Process를 사용할 것인지까지 결정했습니다.

 

하지만 아직 공장을 설계한 것은 아닙니다.

 

오히려 지금부터가 본격적인 Engineering의 시작입니다.

 

공정이 결정되었으니 이제 다음 질문을 해야 합니다.

“그 공정을 실제 Plant로 만들려면 무엇이 필요한가?”

 

어떤 장치가 필요한지, 각 장치는 얼마나 큰지, 어떤 순서로 연결되는지, 얼마나 많은 Steam과 Cooling Water가 필요한지, Pump는 몇 대가 필요한지, 어떤 압력과 온도에서 운전되는지, 그리고 각 장치를 어떻게 제어하고 보호할 것인지까지 결정해야 합니다.

 

즉, 지금까지의 과정이 “무엇을 만들 것인가?”를 정의하는 단계였다면,

 

다음 단계부터는 “그것을 어떻게 실제 공장으로 구현할 것인가?”를 설계하는 단계로 넘어가게 됩니다.

 

Beer to Zero Project는 이제 아이디어에서 한 단계 더 나아갑니다.

 

공정도(Process Flow Diagram)를 그릴 준비가 된 것입니다.

 

 

공정을 정했다고 프로젝트가 시작되는 것은 아니다

 

이제 Beer to Zero Project의 초기 기술 검토가 한 단계 마무리되었습니다.

 

고객이 원하는 것이 무엇인지 정의했고, 제품의 품질 기준을 설정했으며, 생산능력을 결정했습니다.

 

공장을 어디에 설치할지 검토했고, 기존 공장과 신규 설비의 경계를 설정했습니다.

 

그리고 이 프로젝트가 기술적으로 가능한지 검토한 뒤, 어떤 방식으로 Beer에서 Alcohol을 제거할 것인지까지 결정했습니다.

 

여기까지 오면 이제 공장을 설계하면 될 것처럼 보입니다. 하지만 실제 Project Engineering에서는 아직 넘어야 할 산이 하나 더 있습니다.

“공정은 선정했는데, 과연 우리가 이 프로젝트를 실제로 수행할 수 있는가?”

 

기술적으로 가능한 것과 프로젝트로 수행 가능한 것은 같은 이야기가 아닙니다.

 

선정한 공정을 우리가 보유한 기술과 경험으로 설계할 수 있는지, 필요한 설비와 Vendor를 확보할 수 있는지, 주어진 일정 안에 설계와 제작을 완료할 수 있는지, 그리고 고객이 요구하는 성능을 보증할 수 있는지까지 다시 확인해야 합니다.

 

즉, 이제 질문은 “무슨 공정을 사용할 것인가?”에서 “이 프로젝트를 우리가 실제로 수행할 수 있는가?”로 바뀝니다.

 

이것이 다음 단계인 Technical Feasibility의 시작입니다.

 

 

Beer to Zero Project 연재 순서

 

PART 1. 프로젝트의 시작 — 고객의 요구를 정의하다

 

• Part 1. 고객사 요청 접수 - 프로젝트의 시작
• Part 2. 고객이 원하는 것은 무엇인가 - User Requirement 정의
• Part 3. 무알콜 맥주를 어디까지 만들 것인가 - Product Specification
• Part 4. 하루에 얼마나 생산할 것인가 - 생산능력 결정
• Part 5. 공장을 어디에 지을 것인가 - Site Condition 검토
• Part 6. 기존 공장을 활용할 수 있는가 - Battery Limit 설정
• Part 7. 이 프로젝트, 정말 가능한가 - Feasibility 검토
• Part 8. 어떤 방식으로 알코올을 제거할 것인가 - Process 선정