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선화 주
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1 Jou. of Korean Soc. of Mechanical Technology, 16(6) : 2083~ 한국기계기술학회지제 16 권제 6 호, pp. 2083~2089, 2014 ISSN X 생산기술 반열풍식커피로스터기및공정장치개발 김봉석 Development of the Semi-Rotating Fluidized Bed Roaster and Processing System B. S. Kim Key Words : Semi-Rotating Fluidized Bed Coffee Roaster( 반열풍식커피로스터기 ), Process-ing System( 공정장치 ), Roasting( 배전 ), LPG Consumption( 액화석유가스소비량 ), Green Bean Transfer Time( 원료또는생두이송시간 ), Debris Sorting Rate( 이물질석발율 ), Cooling Time( 냉각시간 ), Chaff Collection Rate ( 채프포집율 ) Abstract In our country, the number of coffee shops has steadily increased, reaching approximately 15,000 in 2013 from 1,254 in Adding to increase of coffee shops, customers' preference of roasted beans and extraction to ready-made coffee or instant coffee has lead to rapid expansion of roasted coffee market. In this study, the semi-rotating fluidized bed roaster prototype to reduce LPG consumption of the existing 60kg class large rotating fluidized bed roaster has been designed and retrofitted. In addition to the roaster prototype, processing system consist of bean automatic feeding equipment, debris sorting device, cooling device, cyclone collector, main control system etc. was developed. Also, the authors carrying out many measurements and tests such as LPG consumption, bean transfer time, debris sorting rate, cooling time and temperature, chaff collection rate for the various cases. As a result, the authors found that the semi-rotating fluidized bed roaster prototype can not only reduce LPG consumption, green bean transfer time, cooling time and temperature but also improve debris sorting rate, chaff collection rate of during coffee roasting. 1. 서론 우리나라의커피산업은날로성장을거듭하고있다. 커피전문점의증가여파와완제품상태의커피음료나인스턴트커피를구입하던소비자들이볶은커피를직 논문접수일 : 논문수정일 : 게재확정일 : * 강릉원주대학교기계자동차공학부 접구입하여추출하는소비의변화로볶은커피유통시장도빠른속도로성장하며그규모가비약적으로커졌다. 미국, 브라질에이어세계 6위커피소비국으로 2013년우리나라의커피시장규모는약 6조 1650억, 커피전문점의수는무려 1만 5천여개, 성인기준 1인커피소모량은연간 5백잔이상의커피를마시고있는셈이다. 커피가매력적인수익모델이라는인식이확산됨에따라커피시장진출을준비하는대기업이늘어나 Jou. of Korean Soc. of Mechanical Technology, 16(6): 2083~2089,

2 김봉석 고있으며, 그에따라이를뒷받침할커피로스터기의공급과로스팅관련연구도활기를띠고있어서향후커피로스터기시장의규모는더욱증대될것이다 1~4). 로스터기의종류는가열방식에따라다양하게나눠지며, 원통형의드럼을가로로눕힌형태로가스나오일버너에의해가열된드럼의표면과뜨거워진내부공기에의해배전 (roasting) 되는직화식또는드럼로스터 (conventional roaster, drum roaster), 직화식로스터의변형으로드럼의몸체에구멍을뚫어고온의연소가스가드럼내부를지나도록한반열풍식로스터 (semi-rotating fluidized bed roaster), 고온의열풍을불어넣어배전하는방식의열풍식로스터 (rotating fluidized bed roaster) 등으로구분한다 5, 6). 드럼로스터는원통형드럼통속에생두 (green bean) 를넣고열을가하면서회전에의해로스팅하기때문에경제적이고커피의맛과향이직접적으로표현되어널리사용되나생두의팽창이적고, 균일한로스팅이어렵다는단점이있다. 반열풍식로스터는직화식로스터의변형으로드럼뒤쪽에서내부로열풍이전달되어연소가스가드럼내부를순환하면서로스팅하기때문에직화식보다균일한로스팅이가능하나이동이불편하고비용부담이커상용화가어렵다는단점이있다. 열풍식로스터는열풍을원두사이로순환시켜로스팅하기때문에균일하고단시간에로스팅이가능하고대량으로생두를볶을때사용하며인스턴트커피제조용으로많이사용하나드럼로스터나반열풍식로스터보다개성의표현이어렵다는단점이있다 7). 현재, 해외커피로스터기시장의선두주자인미국디드록社, 독일프로밧社. 일본후지로얄社, 그리고국내태환자동화社에서는원두커피투입에서부터가열, 집진, 배출, 선별, 냉각, 환기및포장까지전공정을자동으로제어할수있는커피로스터기를개발ㆍ판매하고있으나, 대기업을제외한대부분국내영세커피제조업체들에서구입하여사용하기는최소 1억 7천만원이상으로고가이다 8). 그러나국내영세커피제조업체들에서가장많이사용하고있는 60kg급의대형열풍식커피로스터기의경우, 비용부담이크고개성표현이어려울뿐만아니라커피로스팅시 LPG 가스소비가많고, 각종스위치의컨트롤을일일이수작업으로작동하는어려운상황이다 9). 본연구에서는기존의 60kg급의대형열풍식커피로스터기를반열풍식으로설계ㆍ개조함으로써 LPG 소 비량을줄이고원료이송장치, 이물질석발장치, 냉각장치, 싸이클론집진장치및메인컨트롤장치등의관련공정장치들을개발함으로써원료이송시간과냉각시간을단축시킴과동시에이물질석발율과채프집진율을증가시켜, 국내 60kg급의대형열풍식커피로스터기를반열풍식으로개조하는데기초자료로활용하고자하였다. 2. 개발내용및방법 2.1 반열풍식로스터기 Fig. 1은기존의열풍식로스터기를나타낸것으로, 점선부분의가스버너를사용하여로스팅을하고있다. 가스버너를사용할경우부탄가스나 LPG를연소시켜열풍으로바꿔커피를볶게되는데, 이로인해이산화탄소량또한증가하게되며, 무엇보다도열풍으로커피의고유의향과맛을잃어버리는가장큰단점이있을뿐만아니라, 열풍식로스터기의가스소비량이시간당 200,000kcal로, 열풍식커피로스팅시 60kg 생두를넣고 20분간 3bach 로스팅을하면, 일반가정용 LPG 가스한통 (20kg/h) 이소비된다. Fig. 1 Existing rotating fluidized bed roaster 이러한문제점을해결하기위하여 Fig. 1의기존열풍식커피로스터기점선부분의버너와드럼을분리ㆍ제거하고, Fig. 2와같이직접분사방식의가스노즐과 2중드럼을설계하여반열풍식으로제작하였다. 즉, Fig. 3과같이기존의열풍식가스버너대신에 108개의노즐을설치하여연소열의손실이없이 2중드럼에최대한직접닿도록연결함으로써노즐의화력이드럼안쪽으로투입되어열풍을넣는방식인 Fig. 4의반열풍식커피로스터기를제작하였다 Jou. of Korean Soc. of Mechanical Technology, 16(6): 2083~2089, 2014

반열풍식커피로스터기및공정장치개발 2.2 원료이송장치 집진기 본체 노즐형식 TYPE : LPG 생두호퍼 석발기 ( 미장착 ) Fig. 2 Diagram of the semi-rotating fluidized bed roaster 냉각기 연속로스팅이가능하려면 10분내에원료통안으로커피원료 ( 생두 ) 60kg 을안착시켜야한다.

3 반열풍식커피로스터기및공정장치개발 2.2 원료이송장치 집진기 본체 노즐형식 TYPE : LPG 생두호퍼 석발기 ( 미장착 ) Fig. 2 Diagram of the semi-rotating fluidized bed roaster 냉각기 연속로스팅이가능하려면 10분내에원료통안으로커피원료 ( 생두 ) 60kg 을안착시켜야한다. 그러나대부분의경우, 원료를공급할때에는사다리를이용하여인력에의해호퍼에 60kg 원료, 즉 20kg 벌크통으로 3번에나눠인력으로부어주고있으며, 원료를쏟아붓고내려와, 스위치를작동하여드럼내에투입시키는작업을하게된다. 그렇기때문에, 작업공정이번거롭고시간이많이소요될뿐만아니라이로인해생산량저하를가져오고있다. 따라서이와같은문제점을제거하고작업공정을줄이기위해 Fig. 5와같이, SUS망을가진호퍼, 레벨스위치, 원료통, 공기흡입용호스, 원료흡입용호스, 분진통, 컨트롤박스, 필터, 링블러워등으로구성된원료이송장치를설계 제작함으로써, 링블로워로빨아들여원료 60kg을 10분내로원료통안으로안착시킬수있고작업자가쉽게조절할수있도록자동원료이송장치를개발하였다. 노즐형식 6 열 18 행 108 EA,TYPE : LPG (a) Schematic diagram of the gas nozzle (b) Gas nozzle installation Fig. 3 Gas nozzle of the semi-rotating fluidized bed roaster (a) Diagram of the coffee bean automatic feeding equipment (b) Hopper (c) Bean funnel (d) Control box, filter, ring blower Fig. 5 Coffee bean automatic feeding equipment 2.3 이물질석발장치 Fig. 4 Semi-rotating fluidized bed roaster 커피로스팅과냉각이끝난후에는일일이육안으로이물질특히돌을걸러내는작업을하고있어, 제품의품질저하는물론제품의본질적경쟁력이떨어지는문 Jou. of Korean Soc. of Mechanical Technology, 16(6): 2083~2089,

4 김봉석 제가되고있다. 이를개선하기위해, Fig. 6과같이완제품 ( 원두, coffee bean) 이송장치를만들고, 블로워를이용하여원료를끌어올려완제품은이송하고, 이물질인돌등은완제품무게보다무겁기때문에올라가지못하게걸러지는이물질석발장치를설계ㆍ제작하였다. Fig. 8 Cyclone collector 2.6 메인컨트롤장치 2.4 냉각장치 Fig. 6 Debris sorting device 메인컨트롤장치는반열풍식커피로스터기의커피제조에필요한원료이송장치, 이물질석발장치, 냉각장치, 싸이클론집진장치및전체시스템을제어하기위한장치로, 수동과자동운전선택기능을갖추도록 Fig. 9와같이설계 제작하였다. 반열풍식커피로스터기에서볶아진원두커피는 200 이상고온으로기존에는볶은커피를큰통에담아인력에의해주걱으로저어식히는방법으로하였다. 따라서볶은커피를최대한빠르게식히기위해 Fig. 7과같이커피냉각장치를설계 제작하였다. Fig. 9 Main control system 3. 결과및고찰 Fig. 7 Cooling device 2.5 싸이클론집진장치커피가볶아지면생두의표면이팽창하여채프 (chaff, 생두에붙은은피 (silver skin) 라는얇은막과미세먼지 ) 가나오게되는데, 기존에는거름망으로배출하여채프가밖으로나가지저분하게된다. 따라서많은양의채프를포집하기위해 Fig. 8과같이, 배출구, 덮개, 배기투입구, 몸체 ( 원형통 + 원추형통 ), 포집통, 포집통덮개등으로구성된싸이클론집진장치를설계 제작하였다. 반열풍식커피로스터기의가장핵심부분인가스노즐과원료이송장치, 이물질석발장치, 냉각장치, 사이클론집진장치및전체시스템을제어하는메인컨트롤장치등을조립하여시운전과문제점수정ㆍ보완및로스팅된커피맛에대한관능평가를거쳐 LPG 소비량, 원료이송시간, 석발율, 냉각시간및집진율에대해성능평가시험을실시하였다. Fig. 10은본연구에서개발된반열풍식커피로스터기와관련공정장치를그리고 Fig. 11은이를이용한성능평가시험장면의일례를각각나타낸것이다 Jou. of Korean Soc. of Mechanical Technology, 16(6): 2083~2089, 2014

반열풍식커피로스터기및공정장치개발 분보다빠른평균 6 분 30.4 초로나타났다. Table 2 Green bean transfer time Fig.

10개를투입하여원두는원료호퍼로올라가지않고시료돌 10개는이물질통에남아있는지를측정하였다. 표에서알수있듯이, 석발율은이물질을모두걸러냄으로써개발목표치 100% 를나타냈다.

11 Examples of performance test Table 1은 LPG 소비량을시험한결과로, LPG 연료통을저울에설치하여무게를측정하고, 로스팅조건에맞게가스밸브를조정하여 200 로유지하며 1시간동안의가스소비량을측정하였다. 표에서알수있듯이, LPG 소비량은개발목표치 17.2kg/h보다적은평균 15.

5 반열풍식커피로스터기및공정장치개발 분보다빠른평균 6 분 30.4 초로나타났다. Table 2 Green bean transfer time Fig. 10 Developed system and experimental set-up (a) LPG connection & measuring (b) LPG consumption (c) Bean transfer time Table 3는커피로스팅후육안으로보이지않는돌을걸러내기위한석발율을시험한결과로, 원두커피와비슷한시료돌 10개를준비하여원두커피와함께시료돌 10개를투입하여원두는원료호퍼로올라가지않고시료돌 10개는이물질통에남아있는지를측정하였다. 표에서알수있듯이, 석발율은이물질을모두걸러냄으로써개발목표치 100% 를나타냈다. Table 3 Debris sorting rate (d) Debris sorting rate (e) Cooling time and temperature (f) Chaff skin collection rate Fig. 11 Examples of performance test Table 1은 LPG 소비량을시험한결과로, LPG 연료통을저울에설치하여무게를측정하고, 로스팅조건에맞게가스밸브를조정하여 200 로유지하며 1시간동안의가스소비량을측정하였다. 표에서알수있듯이, LPG 소비량은개발목표치 17.2kg/h보다적은평균 15.55kg/h 으로기존열풍식커피로스터기의 LPG 소비량 17.92kg/h 대비 13.2% 의절감효과가나타났다. Table 1 LPG consumption Table 4는커피로스팅후 200 이상되는원두커피가 7분내에 25 이하로빠르게냉각되는지를시험한결과로, 커피로스팅후 200 이상되는원두커피를냉각장치로투입한후 25 이하로냉각되는시간과온도를각각측정하였다. 표에서알수있듯이, 냉각시간과온도는개발목표치 7분 /25 이하보다빠른평균 6분 27.6초 /22.92 로나타났다. Table 4 Cooling time and temperature Table 2는원료이송시간을시험한결과로, 원료투입호퍼에생두 60kg를투입하고전원을인가시켜개발목표치 10분내에모두이송되는지를측정하였다. 표에서알수있듯이, 원료이송시간은개발목표치 10 Table 5는커피로스팅시원료에서나오는채프를싸이클론집진장치에의해개발목표치 85%(51g) 이상포집하였는지를시험한결과로, 싸이클론집진장치를청소한후로스터기에원두커피와함께채프 60g을투 Jou. of Korean Soc. of Mechanical Technology, 16(6): 2083~2089,

6 김봉석 입하여싸이클론집진장치가동후, 싸이클론집진장치에쌓여있는채프의무게를측정하였다. 표에서알수있듯이, 측정된채프의무게는평균 54.4g 으로개발목표치 85%(51g) 이상포집하여평균집진율이 90.8% 로나타났다. Table 5 Chaff collection rate 이상의결과로판단하여볼때, 본연구에서개발된반열풍식커피로스터기와관련공정장치에의해로스팅된커피는국내ㆍ외에서제조ㆍ판매되고있는고가의 60kg급대형커피로스터기에의해로스팅된커피와동등이상의맛과성능을보여주었을뿐만아니라, 기존수작업에의존하던개별분리공정의로스팅을연속공정으로할수있는기술개발과수입에의존한커피로스터기의수입대체, 생산원가절감및경쟁력확보의효과가얻어진것으로판단된다. 4. 결론본연구에서는기존의 60kg급대형열풍식커피로스터기를반열풍식으로설계ㆍ개조함으로써 LPG 소비량을줄이고원료이송장치, 이물질석발장치, 냉각장치, 싸이클론집진장치및메인컨트롤장치등의관련공정장치들을개발하였으며, 로스팅된커피맛에대한관능평가를거쳐 LPG 소비량, 원료이송시간, 석발율, 냉각시간및온도, 집진율에대한성능평가시험을실시함으로써그효과를검증하였다. 그결과, 개발된본연구에서개발된반열풍식커피로스터기와관련공정장치에의해로스팅된커피는국내 외에서제조 판매되고있는고가의 60kg급대형커피로스터기에의해로스팅된커피와동등이상의맛을보여주었을뿐만아니라, LPG 소비량을줄이고원료이송시간과냉각시간및온도를단축시킴과동시에이물질석발율과채프집진율을증가시키는결과를보여주었다. 또한, 기존수작업에의존하던개별분리공정의로스팅을연속공정으로할수있는기술개발과수입에의 존한커피로스터기의수입대체, 생산원가절감및경쟁력확보의효과가얻어진진것으로판단되었다. 향후폭발적인커피수요에대응하기위하여중 대형커피공장은숙련된사람에의해로스팅되어지지않고최적의디지털프로그램을이용한로스터기를사용되는점을감안하여, 원료의성분을분석한온도계산, 연기제거와냄새제거등을고려한회전드럼내온도변경과배기장치운전시간조절등을컨트롤하는소프트웨어내장, 구매자의품종변경과농작물의변화에대응할수있게프로그램업그레이드, 기계고장분석및관리를컴퓨터와연계, 무선인식장치를이용하여원료포장바코드데이터를입력하는기술등에대한연구가추가로진행된다면, 국내 60kg급대형반열풍식커피로스터기시장은충분한경쟁력이있을것으로판단된다. References 1. M. K. Shin, A Study on the Differences of Chemical Components in Roasted Coffee depending on Time and Thermal Value in Roasting Conditions, The University of Seoul Venture Master Thesis, Ludwig, I. A. et al., Extraction of Coffee Antioxidants : Impact of Brewing Time and Method, Food International Research, Vol. 48, pp , Blumberg, S., Frank, O., and Hofmann, T., Quantitative Studies on the Influence of the Bean Roasting Parameters and Hot Water Percolation on the Concentrations of Bitter Compounds in Coffee Brew, Journal of Agricultural and Food Chemistry, Vol. 58, No. 6, pp , H. A. Kim and K. H. Lee, Sensory Characteristics of the Brewed Coffee Roast Based on the Elapsed Time after Grinding Journal of East Asian Society Dietary Life, Vol. 23, No. 3, pp , Ciampa, A. et al., Study on Coffee Roasting Process by Means of Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, Agriculture Research Council Research Centre for 2088 Jou. of Korean Soc. of Mechanical Technology, 16(6): 2083~2089, 2014

반열풍식커피로스터기및공정장치개발 Soil-Plant System, pp. 199-211, 2008 6. J. Shin and T. Y. Lee, Development of High Efficiency Coffee Roaster, Proc. of KSME Spring Annual Meeting, pp. 522-525, 2013 7. Caprioli, G.

7 반열풍식커피로스터기및공정장치개발 Soil-Plant System, pp , J. Shin and T. Y. Lee, Development of High Efficiency Coffee Roaster, Proc. of KSME Spring Annual Meeting, pp , Caprioli, G. et al.,, Optimization of Espresso Machine Parameters through the Analysis of Coffee Odorants by HS-SPME- GC/MS., Food Chemistry, Vol. 135, pp , H. K. Kim et al.., A Study of the Characteristics of Different Coffee Beans by Roasting and Extracting Condition. Korean J Food Nutr, Vol. 20, pp , S. H. Ryu, J. Y. Lee and D. G. Kim, Comparison of Service Quality between Local and Global Coffee Brand Shops. J Korean Society Food Science Nutrition, Vol. 40, pp , 2011 김봉석 (Bong-Seock Kim) Bong-Seock Kim is a professor in the division of Mechanical & Automotive Engineering, Gangneung-Wonju National University. His research interests include Li-ion Battery Capacity Measuring Device and Lower Power Consumption FET DC Contactor for Golf Cart & Low Speed Electric Vehicle. Jou. of Korean Soc. of Mechanical Technology, 16(6): 2083~2089,

04-다시_고속철도61~80p

04-다시_고속철도61~80p Approach for Value Improvement to Increase High-speed Railway Speed An effective way to develop a highly competitive system is to create a new market place that can create new values. Creating tools and