맥주(양조) 산업에서 산소 측정의 중요성에 관하여

산소 측정은 어떻게 하는가?

맥즙에서

가열 맥즙은 일반적으로 접시 모양의 프레임 열 교환기에서 냉각됩니다. 예전에는 공기나 산소를 가열 맥즙에 주입하여 높은 요동이 일어나는 플레이트에서 용해를 시킵니다. 근래에는 거의 실시하지 않는데 이것은 아주 심하게 산화시켜 맥즙에서 향미를 나쁘게 하기 때문입니다. 산소는 격벽에서 주입하는데 이것은 마지막 Trim 단계에서 재생 단계로 분리되기 때문이며, 맥즙이 냉각된 후(선택 2)에 몇 개의 플레이트에서 강제적으로 산소를 용해시켜 넣습니다. 공기의 주입은 많은 양의 가스가 필요하므로 대개의 경우 실시하지 않습니다.

열 교환 후에 가스를 주입하는 경우 매우 우수한 Sinter (선택 3)를 사용하여 용해시키는 것이 필수적이지만 이것은 왕왕 완전하지 않습니다. 공기 주입이 이 방법으로 실시되지만 초기에 검토되어야 하며, 이것은 종종 발효조의 상부에 과도한 거품을 일게 합니다.

근래의 장치는(선택 4) 가스의 총 용해를 확실하게 할 수 있도록 개발되었습니다. 이 장치들은 아주 높은 내압과 요동장치로 특허된 기술이다. 근래의 양조에서는 용존산소의 관리(±0.1 ppm)를 아주 엄격하게 실시하고 충분하게 사용할 수 있습니다. 이것은 발효를 철저하게 하고 과다한 효모로 인한 맥주의 손실을 최소화 합니다.

각각 개별적으로 Feedback Control이 필요하기 때문에 맥즙에서의 산소측정은 공정용 산소 측정기의 사용이 좋습니다. Orbisphere사는 탁상형 용존 산소 측정기에 사용할 수 있는 특별히 제작한 맥즙 유량 용기(모델 32007W)가 있습니다.

Bright 맥주

보통 용존 산소의 농도는 양조자에 따라 다양합니다, 그러나 용존산소의 농도는 0.2 ppm 이하로 유지하여야 합니다.

Bright 맥주나 맥즙에서의 측정은, 산소가 측정기에 의하여 측정되어지기 전에 모든 가스들은 용해되므로 절대 필요한 것입니다. 불용성의 가스들은 기포에 의하여 산소 같은 가스를 축출하는데, 이것은 인위적으로 용존산소의 농도를 줄여줍니다.

탁상형 측정

맥주를 샘플링시에, 항시 파이프라인의 샘플 꼭지를 완전히 개방하고 맥주의 유량을 Orbisphere사의 유량 용기의 출구쪽 유량 조절 밸브를 사용하여 조절합니다. 이것은 센서를 맥주 라인의 압력과 같게하고, 맥주에 있는 가스가 유량 용기에서 기화가 되어 남는 것이 그다지 중요하지 않을지라도 맥주가 접하는 센서상은 깨끗하고 기포가 없어야 합니다.

유량 용기를 통하는 유량은 정밀하지 않아도 되지만 최소 분당 약 200ml은 유지하여야 합니다. 유량이 변하게 되면 센서의 멤브레인에 가해지는 압력이 변하므로 순간적으로 화면상의 측정치가 변했다가 잠시 후에는 원래의 농도로 회복됩니다(샘플링 튜브에서 공기의 틈입이 일어나지 않거나 가스들이 기화가 되지 않을 경우에).

최신의 3100 광센서는 상기의 모델과 달리 유량에 크게 영향을 받지 않습니다.

측정기는 항상 샘플링 몇 분 전에 스위치를 켜는데, 이것은 측정을 하기 전에 센서가 안정화에 필요한 2-3분 정도를 줌으로써 반응 시간을 빠르게 하기 위한 것입니다.

매일 측정에서 처음 측정은 반응 시간이 약간 느린데 이것은 멤브레인에 쌓여 있는 공기를 센서 스스로 제거를 해야하고 맥주의 온도와 평형이 되어야 하기 때문입니다.
산소의 오염원을 찾기 위하여 Orbisphere사의 탁상형 마이크로 로거 산소 측정기를 이용하여 수시 측정도 가능하고 또한 "logging" 모드에서 수시간동안 한 측정 장소에서 종합적인 자료를 얻을 수 있습니다. 매일 매일의 업무 마감 전에 이 측정 결과를 컴퓨터를 통하여 자료를 기기에서 전송 받아 산소가 유입되었는지를 그래프 상으로 볼 수 있습니다.

공정에서 각각의 측정 장소는 공정용 측정기를 상설 모니터링 장소를 정하여 설치할 때는 자주 산소 유입이 일어나는 곳과 일치하여야 합니다.

Orbisphere 모델 3100 산소 측정기 구성

양조산업에서 예기하는 산소의 농도

맥 즙	6 ~ 14 ppm
발 효	<10 ppb
여 과	5 ~ 150 ppb
여과 후 Bright 맥주	10 ~ 200 ppb
충진 시 맥주	20 ~ 200 ppb
병입 시의 용존 산소	30 ~ 250 ppb
캔에서의 용존 산소	20 ~ 120 ppb
완제품의 총 산소	50 ~ 450 ppb

In-line 측정

Bright 맥주는 매우 고가의 생산품으로 산화에 의한 손상을 입게 되면 치명적인 결과를 초래합니다. 따라서 Bright맥주에 산소가 틈입하면 즉각 위험을 알릴 수 있도록 공정에서 지속적인 모니터링이 필수적입니다.

센서는 맥주 라인의 중요한 부분과 밴드나 밸브 근처에 설치하는데, 가능하면 펌프에서는 떨어진 위치에 설치합니다(특히 펌프의 출구 쪽에 아주 가깝게 설치하는 것은 피하기 바랍니다).

센서는 수평이나 상승라인에 설치하고, 하강라인에는 설치하지 않습니다.

센서는 항상 옆으로 수평이 되게 설치하여야 합니다. 이것은 매우 중요하며 어떠한 센서도 아무 곳에나 설치하지 마시기 바라며, 파이프라인 상부에 수직으로 설치하면 공기 방울들이 여기에 모여 이곳은 CIP가 불가능합니다.

센서는 파이프라인 상에 설치하며, LDO 발광센서는 탱크에는 설치하여 측정하여도 문제가 없습니다.

Orbisphere사의 모든 시스템은 열수(99℃)나 화공약품으로 CIP시에 손상을 입지 않으며 성능의 변화가 없게 설계 제작되었습니다.

근래의 Orbisphere사의 측정기는 사용자가 적용 분야에 따라서 반응 속도가 빠른 저농도용 (0 ~ 2,000ppb)이나 고농도용 (0 ~ 40 ppm)을 선택하여 사용할 수 있게 되어 있습니다.

또한 새로운 모델은 "Thermal Cut-off"의 사용을 선택하게 되어 있으며, 사용시에는 일정한 온도를 설정하여, 상기 기능을 맥주에 적용시 라인이 비어 있거나 세척을 시작하면 센서는 자동적으로 스위치를 끕니다. 이 기능의 사용은 센서의 주기적인 유지보수 기간을 더 연장시켜 줍니다.

완제품의 분석

목표로 하는 용존 산소의 농도는 다양하지만, 저장기간을 길게 하려면, 농도를 0.2ppm이하로 하여야 합니다. 많은 맥주회사들은 완제품 속에 용존 산소의 농도를 0.1ppm이하로 관리합니다.

케그(Kegs)로부터 샘플을 얻을 수 있는데 이것은 CO2나 N2 가스 최상 압력을 공급하여 케그에서 맥주를 밖으로 유출하여 보통의 일반적인 피팅으로 Orbisphere 유량 용기에 연결하여 맥주를 통하게 합니다.

병이나 캔으로부터도 모델 29972 Package piercer로 샘플을 얻을 수 있는데, 이것 또한 최상의 압력을 공급하여 맥주를 밖으로 유출합니다.

주의할 점:
CO2나 N2의 압력은 맥주 속에 있는 용존 가스의 총 압력보다 높아야 하는데, 이것은기포의 형성을 방지하기 위한 것입니다.

병입 제품의 모든 측정은 충진 후나 살균 전에 즉시 측정이 되어야 하는데, 이것은 열처리 공정에서 용존 산소가 빠르게 맥주와 반응하기 때문입니다.

샘플링을 하기 전에 작은 병입 제품은 흔들어 주어야 합니다.

이것은 미세기포의 형성으로 빠른 평형을 위해서 입니다.

주의: 병유리 제품을 측정하려면, 병에 흠집이 있을 경우 항시 보호막이나 다른 안전 장치를 최상 압력을 공급하기 전에 설치한다.

완제품의 산소와 저장기간

완제품에 빨려들어온 산소는 맥주의 향을 떨어뜨리는 원인이 됩니다. 산소가 많으면 많을수록 향은 비례하여 떨어집니다. 완제품의 산소의 함량을 측정하여 산소의 주 원인이 헤드스페이스에서 인지 아니면 주입 과정인지를 파악하여야 합니다. 대부분의 향미의 변화는 산소가 원인이며 trans-2-nonanal 형태의 화합물 의하여 "wet cardboard" 맛을 내는 원인이 됩니다.

맥주는 시간이 경과함에 따라서 산소를 소모하게 됩니다. 대부분의 맥주는 1주일에서 6주 동안에 산소를 소모하게 되는데, 향은 2-3 개월동안 변하지 않습니다. 아래의 그래프는 완제품을 생산 후에 4 주 동안 산소 농도의 변화입니다. 처음 수치는 측정시에 병을 흔들지 않은 상태로 용존 산소의 농도가 95 ppb 입니다. 제품을 흔든 후에는 용존 산소의 농도가 220 ppb로 증가하였습니다.이러한 경우에는 산소의 주 혼입원이 헤드스페이스입니다. 병은 저장시에 저장실의 온도로 보관하였으며 각 주기별로 측정 전에 흔들어서 측정하였습니다.

제품의 산소 혼입원

산소는 두 곳에서 제품으로 혼입됩니다; 주입기 또는 헤드스페이스입니다. 주입기에서의 산소는 맥주에 이미 존재하는 산소이거나 병속에 있는 산소 또는 주입 동안에 주입기의 튜브에서 들어 갑니다. 헤드스페이스 산소는 주입기와 Crowner 또는 lid seamer 사이에서 헤드스페이스로 빨려들어오는 공기에서 나타납니다. 제품의 병입 후에 헤드스페이스 가스의 분압과 액상이 빠르게 평형이 안되기 때문에, 모든 제품의 용존 산소(질소 또는 탄산의 측정도 마찬가지) 측정 시에는 측정 전에 반드시 흔들어 주어야 합니다.

대개의 경우, 맥주에 녹아 있는 산소의 량이 많습니다. 아래의 절차에 따라서 주입기 또는 jetter에서 산소의 주 혼입원이 되는지 찾아야 합니다. 모든 측정은 맥주의 살균 전에 측정하여야 합니다. 산소의 60% 이상이 살균 과정에서 없어집니다.

주입기의 가동과 마지막 과정에서 12개의 제품을 샘플로 선별합니다.

제품의 온도가 측정실의 온도와 같게 합니다.
6 개의 제품은 2분 동안 흔든 후에 측정합니다.
개의 제품은 흔들지 않고 측정합니다.
흔든 제품과 흔들자않은 제품별로 용존 산소의 평균값을 구하여 비교합니다.
흔든 제품에서 측정한 값의 평균이 높으면, 산소의 주호입원은 헤드스페이스 입니다. 값이 낮게 나오면 액상에서 산소의 혼입 원인이되는데, 대개의 경우는 액상에서 원인이 됩니다. 상기의 값에서 산소의 주 혼입원이 주입기인지 아니면 jetter 인지 결정할 수 있습니다.

제품의 포장 후에 산소의 혼입 상태-병 뚜껑의 밀봉과 산소의 틈입

제품의 덮개를 닫은 후에, 맥주는 병에 담아 판매할 때까지 병 뚜껑의 특성상 산소의 틈입으로 민감하게 영향을 받습니다. 뚜껑은 병과 외부 사이를 반 침투성 막으로 밀봉을 합니다. 병속에 있는 산소의 양은 병밖에 있는 대기 중의 산소보다 아주 미량입니다. 산소와 질소 가스는 서서히 확산하여 제품 속으로 틈입하게 됩니다. 새로운 산소 제거 장치없이 완관의 막으로 밀봉하게 되면 산소의 틈입을 제거하는 것은 아주 어렵습니다.

산소는 병 속에 있는 맥주와 반응을하여 맥주의 향에 영향을 미칩니다. 이러한 틈입이나 혼입은 병의 내부와 외부의 가스의 분압이 평형이 될 수 있습니다. 병속에 있는 산소는 계속하여 맥주와 반응을하기 때문에 병속에느 아주 적은 량의 산소만 남게됩니다.

대개의 경우 뚜껑에 의한 틈입은 하루에 산소가 1-2ppb 정도 제품속으로 들어갑니다. 삼 개월 정도의 기간이 지나면 누적되는 산소의 틈입량은 180 ppb 이상 됩니다. 이러한 산소의 틈입량은 병입 전에 맥주에 있는 총 산소의 함량보다 많을 것입니다. 최근 몇 년 동안에 제품의 병입시에 맥주의 총 산소 함량을 줄이는데 큰 진전이 있어서, 일부 맥주 회사에서는 제품의 총산소 량을 25 ppb 이하로 유지하는 것으로 알려져 있습니다.

Orbisphere 3625 Package Sampler 또는 3650 Micro O2 logger와 29972 Package Sampling Stand로 제품내에 녹아 있는 가스함량을 빠르게 측정 할 수 있습니다. 제품의 병입공정에서 맥주에 혼입된 총산소량을 알아내는데 많은 도움이 될 것입니다.

가스상의 측정

Orbisphere사의 측정기는 멤브레인을 이용한 센서를 사용하기 때문에 액상이나 가스상의 산소 측정을 쉽게 사용할 수 있습니다.

Orbisphere사의 많은 산소 측정기는 겸용으로 액상이나 가스상의 측정을 쉽게 변환할 수 있습니다. 또한 다른 기능은 다양한 단위를 선택하여 가스상의 결과를 화면상으로 볼 수 있습니다. 대부분 측정시에 측정 매체의 압력 보상 기능이 내장되어 있습니다.

가스들은 압축하기 때문에 샘플링 기술이 액상의 측정과 다릅니다. 아래의 방법을 이용하여 대기압에서의 가스를 용적대비 O₂ ％ 농도로 보증합니다.

     유로의 형성을 반대로 하며 유량 조절 밸브는 인입쪽에 설치합니다.
     점검 밸브를 제거
     가스의 유량은 분당 100ml이하로 합니다.

탄산가스 주입시에

맥주에 탄산을 첨가하는 경우에, 실제적인 산소가 없어야 되는데 이것은 탄산의 많은 양이 고압력에서 첨가되며 용존산소를 빠르게 증가시킵니다.

고압력에서 탄산의 첨가

첨가되는 탄산의 량	탄산가스에 포함된 불순물인 산소의 농도
	0.0001%	0.0005%	0.002%
1 g/liter (0.5 Vol)	7 ppb	35 ppb	142 ppb
2 g/liter (1 Vol)	14 ppb	71 ppb	284 ppb
4 g/liter (2 Vol)	28 ppb	142 ppb	567 ppb
	맥주에 첨가되는 용존 산소의 량