설탕 정제는 한 통씩 처리한다
한눈에 보기
- 열 단계 가운데 핵심은 탈색이며, 성격이 다른 방법(탄산화·활성탄·이온교환)을 조합해 씁니다.
- 핵심 공정이 회분식이라, 「값이 범위 안인가」가 아니라 「단계가 제때 넘어가는가」를 봅니다.
- 같은 설비를 여러 대 나란히 돌리므로 순서를 겹치지 않게 배분하는 것이 제어의 몫입니다.
설탕 공장은 원당에 묻은 것을 벗기고, 녹이고, 색을 빼고, 다시 굳히는 과정입니다. 앞의 여러 분야와 크게 다른 점이 하나 있습니다. 핵심 공정 상당수가 흐르는 것이 아니라 한 통씩 처리하는 회분식이라는 것입니다. 열 단계를 따라가며 자동제어가 무엇을 보고 있는지, 회분식이 감시를 어떻게 바꾸는지 정리했습니다.
열 단계의 흐름
| # | 단계 | 하는 일 |
|---|---|---|
| ① | 원당 하역·이송 | 배에서 내려 창고에 쌓고, 계량하며 공정으로 보낸다 |
| ② | 애피네이션 | 원당 겉에 묻은 시럽 막을 원심분리로 벗겨낸다 |
| ③ | 용해 | 물에 녹여 액체로 만들고 굵은 이물을 거른다 |
| ④ | 탈색 | 색과 불순물을 세 가지 방법으로 차례로 뺀다 |
| ⑤ | 여과 | 남은 미세한 부유물을 걸러 맑게 만든다 |
| ⑥ | 증발 | 물을 날려 농도를 올린다 |
| ⑦ | 결정 | 진해진 액에서 설탕 결정을 키운다 |
| ⑧ | 제품 원심분리 | 결정과 남은 시럽을 갈라낸다 |
| ⑨ | 건조·냉각 | 물기를 말리고 온도를 내린다 |
| ⑩ | 체별·혼합·포장 | 알갱이 크기로 나누고 섞어 담는다 |
탈색이 이 공정의 핵심입니다
열 단계 가운데 가장 공을 들이는 곳은 탈색입니다. 설탕의 값어치가 「얼마나 희고 맑은가」로 갈리기 때문입니다. 그런데 한 가지 방법으로는 다 빠지지 않아서 성격이 다른 방법을 조합해 씁니다. 아래 셋이 대표적인데, 공장에 따라 골라 쓰거나 겹쳐 씁니다.
| 방법 | 거는 원리 |
|---|---|
| 탄산화 | 석회와 탄산가스를 넣어 탄산칼슘 알갱이를 만들고, 그것이 불순물을 붙잡게 한 뒤 걸러 낸다 |
| 활성탄 흡착 | 탄소 표면에 색을 내는 성분을 달라붙게 한다 |
| 이온교환 | 수지에 이온 형태의 불순물을 붙잡아 바꿔치기한다 |
셋은 서로 다른 것을 잡습니다. 그래서 겹쳐 쓸 때는 순서가 중요합니다. 앞에서 굵은 것을 먼저 걷어 내야 뒤쪽 흡착제와 수지의 부담이 줄고 오래 쓰기 때문입니다. 활성탄과 이온교환 수지는 쓰다 보면 성능이 떨어지므로 되살려 쓰는 설비가 함께 붙습니다. 「지금 몇 번째 재생 주기인가」가 감시 대상이 되는 이유입니다.
증발과 결정 — 물을 얼마나 뺐는가로 봅니다
맑아진 액은 아직 묽습니다. 물을 날려 진하게 만들어야 결정이 생깁니다. 이 진하기를 나타내는 값이 브릭스(Brix)입니다. 녹아 있는 고형분의 비율을 뜻합니다.
증발에서 관건은 열을 얼마나 되쓰느냐입니다. 물을 날리는 데 드는 열이 크기 때문입니다. 되쓰는 방법은 크게 두 갈래입니다. 하나는 증발관을 여러 단으로 이어 앞 단에서 나온 증기를 뒷 단의 열원으로 그대로 넘기는 방식이고, 다른 하나는 나온 증기를 압축해 온도를 올린 뒤 같은 자리의 열원으로 되돌리는 방식입니다. 둘은 서로 다른 방법이며, 공장에 따라 하나를 쓰거나 함께 씁니다.
충분히 진해지면 결정 단계로 넘어갑니다. 여기서는 결정을 얼마나 크게 키우느냐가 제품 등급을 가릅니다. 온도와 압력, 그리고 언제 시드(씨결정)를 넣을지가 관건인데, 이 판단이 뒤에서 이야기할 회분식 운전과 직결됩니다.
회분식이라는 것이 감시를 바꿉니다
앞서 다룬 정수장이나 시멘트 공장은 대체로 연속식입니다. 원료가 한쪽으로 계속 들어가고 제품이 반대쪽으로 계속 나옵니다. 그래서 화면의 값은 「지금 얼마나 흐르고 있는가」를 보여 줍니다.
설탕 공정에는 그렇지 않은 자리가 있습니다. 결정과 제품 원심분리가 대표적입니다. 한 통을 채우고, 처리하고, 비우고, 다시 채웁니다. 이것을 회분식이라고 합니다. (애피네이션 원심분리는 연속식을 쓰는 경우가 많습니다.) 이 차이가 감시 화면을 통째로 바꿉니다.
| 구분 | 연속식 | 회분식 |
|---|---|---|
| 화면의 값 | 지금 흐르는 양·농도 | 지금 몇 번째 단계이고 얼마나 지났는가 |
| 정상 판정 | 값이 범위 안에 있는가 | 단계가 제 시간에 넘어가는가 |
| 이상 신호 | 값이 범위를 벗어남 | 단계가 넘어가지 않고 머물러 있음 |
연속식에서는 값이 이상하면 눈에 띕니다. 회분식에서는 값이 멀쩡한데 단계가 안 넘어가는 것이 문제인 경우가 많습니다. 그래서 화면에 「현재 단계」와 「그 단계에 머문 시간」이 함께 있어야 하고, 평소보다 오래 머물면 알려 주어야 합니다.
여러 대가 나란히 도는 것을 어떻게 다루나
회분식 설비는 한 대로는 생산량을 맞출 수 없습니다. 한 통을 처리하는 동안 다음 것을 기다려야 하기 때문입니다. 그래서 같은 설비를 여러 대 나란히 놓고 시차를 두어 돌립니다.
원심분리기 여러 대가 공통 컨베이어 하나로 모이는 구조가 대표적입니다. 이때 제어가 맡는 일은 각 대를 돌리는 것보다 서로 겹치지 않게 순서를 배분하는 것에 가깝습니다. 여러 대가 동시에 쏟아내면 뒷단이 감당하지 못하고, 너무 벌리면 뒷단이 놀기 때문입니다.
한 대가 정비로 빠지면 나머지로 순서를 다시 짜야 합니다. 화면에서 「몇 대가 지금 쓸 수 있는 상태인가」가 중요한 값이 되는 이유가 여기 있습니다.
정리
정제당 공정은 원당을 벗기고 녹여 색을 뺀 뒤 다시 굳히는 열 단계로 이루어집니다. 핵심은 탈색이며, 성격이 다른 방법을 조합해 씁니다. 증발·결정은 진하기(브릭스)를 기준으로 다루고, 열을 되쓰는 구조가 에너지를 좌우합니다. 가장 큰 특징은 회분식이라는 점입니다. 연속식과 달리 「값이 정상 범위인가」가 아니라 「단계가 제때 넘어가는가」를 보아야 하고, 여러 대를 나란히 돌릴 때는 순서 배분이 제어의 몫이 됩니다.