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기술동향 <기술동향: 계측기> 카카오버터에서 정밀한 pH 측정

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작성자 댓글 0건 조회 2,249회 작성일 22-05-09 14:00

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사진 1. 개폐식 피팅인 Ceramat을 통해 카카오 버터처럼 pH 측정이 어려운 매질에서도 인라인 측정을 가능하게 한다



완벽한 초콜릿을 제조하기 위한 도전

카카오 버터에서 pH를 가장 정확하게 측정을 어떻게 할 수 있는 미햐엘 코게이 박사가 설명한다.

끈적하고 점성이 있는 매질에서 pH를 측정하는 것은 어려운 일이다. 카카오 버터를 가공할 때에는 식품산업에서 요구하는 위생 및 안전 관련 조건들을 정확하게 충족시켜야 한다. 초콜릿 제조를 선도하는 한 업체에서 이를 위해 크닉(Knick)의 측정 기술을 사용하고 있다.


초콜릿을 제조하는 과정은 복잡하며 완제품이 고객의 손에 들어가기 전까지 수많은 공정을 거쳐야 한다. 첫번째 단계는 카카오 콩을 수확한 직후에 시작된다. 생화학적 과정인 발효 공정을 통해 카카오 콩의 거칠고 쓴 맛이 변하면서 우리가 원하는 향기를 내기 시작하며, 건조와 로스팅을 통해 완성된다.



품질을 나타내는 지표로 사용되는 pH

발효 과정 때문에 카카오 콩은 약한 산성인 pH 5.0에서 5.5를 띄게 된다. 콩의 껍질을 벗겨내고 분쇄된 다음, 압착을 통해 카카오 버터를 따로 분리한다. 카카오 버터의 pH는 제품 품질과 직결되어 있기 때문에 공정 과정 내내 모니터링해야 한다. 녹는점인 60℃ 이상의 액상 상태의 카카오 버터는 점성이 있으며 끈적하다. 측정 매질로서 카카오 버터는 측정 기술을 적용하기에는 매우 어려운 도전이다. 그렇다 보니 독일의 한 초콜릿 제조 선두업체는 정기적으로 샘플의 pH를 실험실에서 검사하느라 많은 시간과 인력을 투자할 수밖에 없었다. 그래서 품질 관리팀에서는 품질보증을 최적화시키기 위한 방법을 모색하게 되었다.


공정에 직접 연동된 pH 측정은 식품산업에서 요구하는 조건들을 충족시켜야 한다. 모든 구성 요소들은 CIP 및 SIP 처리가 가능해야 하며, 유리 파편과 같은 이물질은 어떤 상황에서도 절대로 카카오 버터에 유입돼서는 안 된다. 이러한 문제는 센서가 매질과 잠시 접촉해서 pH를 측정한 다음 즉시 센서를 세척할 수 있는 개폐식 피팅을 통해서만 해결할 수 있다. 이러한 기술을 적용하는 고객의 초기 실험 단계에는 단순한 밀대 방식의 개폐식 피팅을 사용했다. 하지만 이러한 피팅들의 기계적인 시스템은 빠르게 카카오 버터로 인해 막혀버려 지속적인 측정이 불가능했다.


인라인(실시간) 측정

이 회사는 포기하지 않고 크닉의 Unical 자동 센서 유지·보수 시스템과 개폐식 피팅을 통해 해결책을 찾았다. 특허받은 세라믹 밀봉이 내장되어 있는 개폐식 피팅을 통해 경화된 카카오 버터로 인해 막히는 문제를 피했다. 프로그램 설정이 가능한 완전 자동화된 Unical 9000 전기-공압식 제어 장치는 개폐식 피팅을 조작하여 센서를 공정으로부터 후퇴시키고 세정할 수 있다. 센서의 세정을 위해 제어 장치는 필요한 세정·세척액을 완전 자동으로 저장고에서 세라마트(Ceramat®)의 교정 챔버 안으로 펌프를 통해 공급한다. 필요한 경우에는 센서를 적합한 교정액을 통해 교정할 수도 있다. 이를 위해 필요한 모든 절차는 사용자의 개입 없이 사전에 설정해 놓은 간격(자유롭게 설정 가능)에 따라 제어 장치를 통해 완전 자동으로 진행된다.


측정을 위해서는 pH 센서 SE555를 사용했다. pH 센서가 측정할 매질과 매우 짧은 시간만 접촉하기 때문에 이 공정에서는 유리 센서의 사용이 허용됐다. 디지털 메모센스(Memosens) 기술은 트랜스미터(평가 회로)로의 데이터 전송을 위해 사용되는 기술로 신호선에서 발생할 수 있는 유리 파손을 비롯한 각종 간섭으로 인한 측정 오류를 실질적으로 제거해 준다. 뿐만 아니라 측정 전극과 트랜스미터 간의 완전한 전기적인 절연 또한 구현한다. 


측정값을 기록하기 위해 센서를 공정 분석용 트랜스미터인 Protos 3400에 연결했다. 그리고 상위 수준의 공정 제어 시스템(PCS)에 연결하기 위해서는 Profibus PA를 사용했다. 이를 위해 유연한 Protos 트랜스미터에 Profibus PA 통신용 모듈을 장착했다. 센서가 pH 측정을 하도록 PCS에서 직접 지시를 받을 수 있다.


지시를 받으면 pH 센서는 카카오 버터에 닿도록 개폐식 피팅으로부터 전진하며 트랜스미터는 측정값을 PCS에 전달한다. 측정 후에 센서는 개폐식 피팅 안으로 후퇴하며 설정에 맞게 세정 또는 교정된다. 이 모든 절차는 자동으로 매우 빠르게 진행된다. 이 방법을 통해 측정을 위한 품질 보증 실험실에서의 시간적인 손실을 최소화할 수 있다. 그리고 Profibus PA 통신을 통해 연결되어 있기 때문에 알림 메시지와 알람을 PCS에 직접 전송할 수 있다.

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사진 2. 센서 유지·보수 시스템은 개폐식 피팅, 제어 장치 Unical 9000, 공정 분석용 트랜스미터 Protos로 구성되어 있다 


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사진 3. 카카오 버터는 초콜릿을 제조하기 위해 필요한 기초 원료이다




빠르며 매우 정확한 측정

초콜릿 제조 공정에서의 완전 자동화된 pH의 인라인 측정은 매우 신뢰성 있게 진행되고 있으며, 품질 보증팀의 직원들은 이 시스템의 결과에 대해 매우 만족하고 있다. 새로 도입한 이 시스템은 실험실에서 수작업으로 샘플링과 pH 측정을 해야 하는 과정을 생략할 수 있기 때문에 상당한 비용을 절감할 수 있었다.

초콜릿 제조사에서는 인라인 측정과 실험실 측정에서의 pH 편차 또한 0.01로 매우 작았기 때문에 자동 센서 유지·보수 시스템의 정밀성에 크게 감탄했다.



미햐엘 코게이 박사는 현재 크닉에서 근무 중이다.

www.knick-korea.com




크닉코리아

본 기사는 2022년  5월호에 게재되었습니다. 

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