제1장 식품공학의 기초 LSJ

CONTENTS 1 식품공학의 발달 2 1-1 단위와 차원 3 1-2 물질수지 4 1-3 에너지 수지 5 1-4 반응속도론

식품공학의 발달 Food Process Engineering 개념 및 정의 식품공학(食品工學, food engineering)이란 식품가공 등에 사용되는 물리적, 기계적 조작의 원리와 장치에 관한 지식을 다루는 분야이다. 이외에도 계기측정, 공정 제어, 공장 배치 및 설계 등에 대해서도 다룬다. 또한 제조공정 조건에 따라 수율과 품질이 달라지므로 원료와 제품의 화학적, 물리적 성질을 이해하고 가공 또는 저장 중에 일어나는 변화와 원리에 관한 지식을 다룬다. 따라서 수학(數學, mathematics), 물리(物理, physics), 이동현상, 열역학(熱力學, thermodynamics), 반응속도론(反應速度論, reaction kinetics) 등의 원리와 물리적 및 기계적 조작의 원리와 장치에 관한 지식을 기본으로 한다. 즉 식품공학이란, 식품산업에서 필요로 하는 공학적인 지식을 중점적으로 다루는 분야이다.

식품공학의 역사 인류의 식량문제는 과거에서부터 꾸준하게 중요한 문제 산업혁명 이후의 급격한 인구 증가와 맞물려 식량문제를 해결하기 위한 기술 개발이 활발 인구 증가 초기에는 수공업적 식품공업 시작(주로 경험 바탕, 이러한 현상은 20세기까지) 점차 대형화-화학공학적 방법 채택 이후 농산물의 대량 생산, 저장성 향상, 품질 향상을 위한 농업기술 연구 소비자가 요구하는 품질의 제품을 생산하기 위하여 수준 높은 가공기술을 요구 이에 따라 식품산업의 기초적인 학문인 식품가공학(食品加工學, food technology)은 중요한 위치를 차지하게 되었다.

식품공학의 역사 미국: 화학공학자에 의해 식품공학 연구 시작(주로 화학공학관련 이론이 식품산업에 도입) 식품공학의 초기에: 주로 화학공학과, 농업기계학과 강의 개설 이후 식품과학 관련 학과(생물자원의 종류 및 특성이 다양하고 전문적인 기술과 연구가 필요): 가공기술과 공학적인 문제를 다루는 식품공학을 개설 반면 일본이나 유럽: 미국과는 반대로 생산지 중심의 식품산업 발달 응용생화학(應用生化學)을 기초로 한 화학공학 이론 도입 우리나라: 일본의 영향 1970년대: 식생활 수준의 향상>>식품공학 강의 개설>>대량 생산(가공식품기술 향상) 1980년대: 품질의 중요성 강조 1990년대: 식품의 고급화와 다양화 2000년대: 식품의 고급화와 웰빙화 2010년대: 가공식품의 웰빙화(시간절약과 함께 웰빙화까지, ready made food)

식품가공기술의 기본개념 1. 식품의 지리적, 계절적, 시간적인 편재, 제약의 배제 표 1-1 식품가공기술의 기본개념 2. 식품의 저장성, 수송성, 간편성, 위생성, 상품성의 부여 3. 새로운 식품소재, 새로운 식품의 개발, 창조 4. 자원의 유효이용 오늘날 식품공업은 단순히 ‘경험과 감’에 의한 제조만으로는 성립 불가!!! 특히, 우리의 전통식품인 김치, 두부, 된장 등을 연속적이고 효율적으로 대량생산 하고 세계화하기 위해선 ‘품질우위’를 확보 가능한 기술, 장치, 시스템의 도입 필요!!!

식품가공과 단위조작 식품가공공정: 원료에서 최종 제품이 생산될 때까지의 전제 제조과정 각 공정들은 기계적 또는 물리적 원리가 동일한 일련의 단계로 나눌수 있음. >>> 이것이 바로 ‘단위조작(unit operation)’이라 함. 식용유 제조공정 원료 정선 가루화 열처리 추출 용매회수 탈고무질 탈산 탈취 제품 기계적 분리 건조 분쇄 압편 가열 추출 증발 증류 반응 기계적 분리 반응 기계적 분리 증류

1-1 단위와 차원 일반적으로 질량, 길이, 시간, 온도 등을 물리적 기본량으로 선택하며, 이를 기본차원(fundamental dimension)이라 함. 기본량: 기본차원만으로 정의 길이 [L], 질량 [M], 시간 [t], 온도 [T] 유도량: 기본차원의 조합으로 정의 면적 [L]2, 체적 [L]3, 속도 [L]/[t], 가속도 [L]/[t]2, 밀도 [M]/[L]3 >> 속도 [L]/[t] 단위: 예로 m/s, ft/s, km/s, m/h, ft/h 등

1-1 단위와 차원(단위계) 차원 SI unit cgs unit fps unit 질량 kilogram (kg) gram (g) pound (lb) 길이 meter (m) centimeter (cm) foot (ft) 시간 second (s) hour (h) 온도 Kelvin (K) or ℃ Rankin (R) or ℉ 9월 7일

1-1 단위와 차원(SI 단위) 힘(force), 에너지, 동력(power), 압력(pressure), 표준 중력가속도, 1 newton (N) = 1 kg∙m/s2 1 joule (J) = 1 newton ∙m (N ∙m) = 1 kg ∙m2/s2 1 joule/s (J/s) = 1 watt (W) 1 newton/m2 (N/m2) = 1 pascal (Pa) 1 g = 9.8066 m/s2 ≒ 9.8 m/s2 >>> 표 1-1-2 & 3 SI 기본단위와 유도단위 & 접두어 참조 >>> cgs & fps 단위 text page 25 참조

1-1 단위와 차원(힘, force) 힘, 뉴톤의 ‘운동의 제2법칙’에 의하면, 어떤 물체의 운동량(momentum)이 변할 때 그 물체는 힘을 받고 있으며, 힘의 크기는 운동량의 변화속도에 비례한다. F ∝ d (mv) = m∙dv = ma dt dt [M][L]/[t]2 [예제 1-1-1] 힘의 단위와 차원 질량 3 lbm에 작용하는 힘을 다음 단위로 계산하시오. (1) newton (1) F = ma = mg = (3 lbm)(0.45kg/1 lbm)(9.8 m/s2) = 13.23 N

1-1 단위와 차원(압력, pressure) 압력, 단위면적에 수직으로 작용하는 힘 P = F A [F] = [M][L][t]-2 [L]2 [L]2 1 bar = 1 x 105 Pa = 1 x 105 N/m2 1 atm = 1.01325 x 105 Pa = 101.325 kPa = 1.01325 bar 1 bar = 십만 Pa = 십만 뉴턴 퍼 미터제곱 ≒ 1 atm 표 1-1-4 에서 SI 단위계만 참조

1-1 단위와 차원(일, 에너지, 동력) 일, 힘과 힘이 작용하는 방향으로 움직인 거리의 곱 W = F∙s [M][L]2/[t]2 [예] 설탕 1 kg 을 높이 2 m 만큼 들어올리는데 한 일은? W = Fs = mas = mgs = (1 kg)(9.8 m/s2)(2 m) = (9.8 N)(2 m) = 19.6 N∙m = 19.6 J 에너지, 일을 할 수 있는 능력이며, 에너지를 가진 물체는 유용한 기계적 일이 가능 1 cal = 4.2 J 동력(power), 일을 하는 속도 또는 에너지를 소비하는 속도 P = W/t [M][L]2/[t]3 행한 총열량(J) = 동력크기(J/s) x 시간(s) [예] 1 kW 인 전기기구를 1 h 동안 작동시켰을 때의 열량 1 kWh (killowatt hour) 를 계산하시오 P=W/t를 변형하여, 총 열량(W) = 동력x시간 = 1 kW x 1 h = 1000 J/s x 1 h x 3600 s/1 h = 3.6x106 J = 3.6 MJ

1-1 단위와 차원(온도) 온도, 물체의 더운 정도를 나타낸 것, 온도의 눈금을 정하기 위해, 섭씨(celsius scale, 100 등분)와 화씨(fahrenheit, 180 등분) 그리고 SI 단위에서 표준온도인 Kelvin은 물의 3중점 273K (0℃)로 정의 ℉ = 1.8 x ℃ + 32 K = ℃ + 273 [예제 1-1-5] 발효배지의 살균온도 발효조(fermentor) 내의 배지를 120℃에서 살균한다. 이 온도를 ℉ 및 K 로 얼마인가? Scale 절대온도 0 K 물의 어는점 물의 끓는점 Celsius - 273℃ 0℃ 100℃ Kelvin 0 K 273 K 373 K Fahrenheit - 459.7℉ 32℉ 212℉ ℉ = 1.8x℃ +32 = 1.8x120 + 32 = 248℉ K = ℃ + 273 = 120 + 273 = 393 K

1-1 단위와 차원(밀도, 농도 & 속도) 밀도, 농도 & 속도: 현대 식품공학(본 강의 text) page 32-35

1-1 단위의 환산 단위의 환산(Conversion of Units): page 36-7

1-2 물질수지 질량보존의 법칙(Law of Conservation of Mass) 식품의 가공공정은 여러 성분의 혼합, 분리 및 조작을 거친다. 각 단위조작 또는 전체공정을 통과하는 물질의 양적관계는 물질수지(material balance) 로서 표현된다. 질량보존의 법칙(Law of Conservation of Mass) 1-2-1 질량은 창조되지도 않고 파괴되지도 않는다. 식품공정에 들어간 모든 물질의 총 질량은 공정 중에 축적되는 총 질량과 배출되는 총 질량의 합과 같다. 공정에 들어가는 질량 = 공정에서 나오는 질량 + 공정에 축적되는 질량 (input) (output) (accumulation) (1-2-1) 연속공정 이란? 대부분의 연속공정에서는 공정 중에 물질이 축적되지 않고 들어가는 양과 나오는 양이 같다. 이것을 정상상태(steady state) 라 한다. 정상상태에서는 공정에 들어가는 질량유량 = 공정에서 나오는 질량유량 (rate of mass input) (rate of mass output) (1-2-2) 회분공정은 batch process, 원료를 한번에 공정 중에 넣고 일정한 조작 후 생산물을 꺼내는 조업방법. 공정 중 성분의 양이 변함. 이것을 비정상상태(unsteady state) 라 하고, 축적양은 0이 되지 않는다.

1-2 물질수지 물질수지의 계산 1-2-2 여기서는 화학반응이 일어나지 않는 단순 물질수지에 대해서만 다룸. 다음과 같은 체계적인 절차를 거쳐 물질수지식을 세움. 1 공정도를 그리고 각 흐름과 알고 있는 양(유속, 조성, 양 등)을 공정도에 나타냄 2 경계를 선택하여 점선으로 나타내고 적당한 계산의 기준을 선택 3 이미 알고 있는 양과 미지량으로 각 성분들의 물질수지식을 씀 4 독립식의 수와 미지량의 수가 같은가를 검토하고 미지량을 품. 이때 항상 단위 일치 주의!! 예제 1-2-1

식품공학 [예제 1-2-1] 정상상태 Text page 42, 예제 1-2-1 참고 1 증발기에서 5% 1 kg 의 소금물을 20%의 소금물로 농축하려면 증발시켜야 할 수분의 양은 얼마인가? 문제 풀이시, 반드시 소금물의 농축공정도(단위공정, unit process)를 그리시오. 5% 소금물 1 kg 20% 소금물 y kg 물 x kg 증발 물이나 소금물의 기준으로는 공정 전후에 변화가 있으나, 소금은 공정 전후에도 변화가 없이 일정함. 그러므로 소금을 기준으로 input과 output이 동일하다를 이용 총질량 : 1 = x + y 소 금 : 1(0.05) = x(0) + y(0.2) y = 0.25 kg ∴ x = 0.75 kg (물 증발)

식품공학 [예제 1-2-1] 정상상태 Text page 42, 예제 1-2-1 참고 2 증발기에서 10% 1 kg 의 소금물을 20%의 소금물로 농축하려면 증발시켜야 할 수분의 양은 얼마인가? 문제 풀이시, 반드시 소금물의 농축공정도(단위공정, unit process)를 그리시오. 10% 소금물 1 kg 20% 소금물 y kg 물 x kg 증발 물이나 소금물의 기준으로는 공정 전후에 변화가 있으나, 소금은 공정 전후에도 변화가 없이 일정함. 그러므로 소금을 기준으로 input과 output이 동일하다를 이용 총질량 : 1 = x + y 소 금 : 1(0.1) = x(0) + y(0.2) y = 0.5 kg ∴ x = 0.5 kg (물 증발)

식품공학 [예제 1-2-1] 정상상태 Text page 42, 예제 1-2-1 참고 3 증발기에서 15% 1 kg 의 소금물을 30%의 소금물로 농축하려면 증발시켜야 할 수분의 양은 얼마인가? 문제 풀이시, 반드시 소금물의 농축공정도(단위공정, unit process)를 그리시오. 15% 소금물 1 kg 30% 소금물 y kg 물 x kg 증발 물이나 소금물의 기준으로는 공정 전후에 변화가 있으나, 소금은 공정 전후에도 변화가 없이 일정함. 그러므로 소금을 기준으로 input과 output이 동일하다를 이용 총질량 : 1 = x + y 소 금 : 1(0.15) = x(0) + y(0.3) y = 0.5 kg ∴ x = 0.5 kg (물 증발)

식품공학 [예제 1-2-1] 정상상태 Text page 42, 예제 1-2-1 참고 4 증발기에서 1% 1 kg 의 소금물을 20%의 소금물로 농축하려면 증발시켜야 할 수분의 양은 얼마인가? 문제 풀이시, 반드시 소금물의 농축공정도(단위공정, unit process)를 그리시오. 1% 소금물 1 kg 20% 소금물 y kg 물 x kg 증발 물이나 소금물의 기준으로는 공정 전후에 변화가 있으나, 소금은 공정 전후에도 변화가 없이 일정함. 그러므로 소금을 기준으로 input과 output이 동일하다를 이용 총질량 : 1 = x + y 소 금 : 1(0.01) = x(0) + y(0.2) y = 0.05 kg ∴ x = 0.95 kg (물 증발)

식품공학 [예제 1-2-1] 정상상태 Text page 42, 예제 1-2-1 참고 5 증발기에서 1% 1 kg 의 소금물을 10%의 소금물로 농축하려면 증발시켜야 할 수분의 양은 얼마인가? 문제 풀이시, 반드시 소금물의 농축공정도(단위공정, unit process)를 그리시오. 1% 소금물 1 kg 10% 소금물 y kg 물 x kg 증발 물이나 소금물의 기준으로는 공정 전후에 변화가 있으나, 소금은 공정 전후에도 변화가 없이 일정함. 그러므로 소금을 기준으로 input과 output이 동일하다를 이용 총질량 : 1 = x + y 소 금 : 1(0.01) = x(0) + y(0.1) y = 0.1 kg ∴ x = 0.9 kg (물 증발)

식품공학 [예제 1-2-1] 정상상태 Text page 42, 예제 1-2-1 참고 6 증발기에서 5% 2 kg 의 소금물을 20%의 소금물로 농축하려면 증발시켜야 할 수분의 양은 얼마인가? 문제 풀이시, 반드시 소금물의 농축공정도(단위공정, unit process)를 그리시오. 5% 소금물 2 kg 20% 소금물 y kg 물 x kg 증발 물이나 소금물의 기준으로는 공정 전후에 변화가 있으나, 소금은 공정 전후에도 변화가 없이 일정함. 그러므로 소금을 기준으로 input과 output이 동일하다를 이용 총질량 : 2 = x + y 소 금 : 2(0.05) = x(0) + y(0.2) y = 0.5 kg ∴ x = 1.5 kg (물 증발)

식품공학 [예제 1-2-1] 정상상태 Text page 42, 예제 1-2-1 참고 7 증발기에서 10% 2 kg 의 소금물을 20%의 소금물로 농축하려면 증발시켜야 할 수분의 양은 얼마인가? 문제 풀이시, 반드시 소금물의 농축공정도(단위공정, unit process)를 그리시오. 10% 소금물 2 kg 20% 소금물 y kg 물 x kg 증발 물이나 소금물의 기준으로는 공정 전후에 변화가 있으나, 소금은 공정 전후에도 변화가 없이 일정함. 그러므로 소금을 기준으로 input과 output이 동일하다를 이용 총질량 : 2 = x + y 소 금 : 2(0.1) = x(0) + y(0.2) y = 1 kg ∴ x = 1 kg (물 증발)

식품공학 [예제 1-2-1] 정상상태 Text page 42, 예제 1-2-1 참고 8 증발기에서 15% 4 kg 의 소금물을 30%의 소금물로 농축하려면 증발시켜야 할 수분의 양은 얼마인가? 문제 풀이시, 반드시 소금물의 농축공정도(단위공정, unit process)를 그리시오. 15% 소금물 4 kg 30% 소금물 y kg 물 x kg 증발 물이나 소금물의 기준으로는 공정 전후에 변화가 있으나, 소금은 공정 전후에도 변화가 없이 일정함. 그러므로 소금을 기준으로 input과 output이 동일하다를 이용 총질량 : 4 = x + y 소 금 : 4(0.15) = x(0) + y(0.3) y = 2 kg ∴ x = 2 kg (물 증발)

식품공학 [예제 1-2-1] 정상상태 Text page 42, 예제 1-2-1 참고 9 증발기에서 1% 4 kg 의 소금물을 20%의 소금물로 농축하려면 증발시켜야 할 수분의 양은 얼마인가? 문제 풀이시, 반드시 소금물의 농축공정도(단위공정, unit process)를 그리시오. 1% 소금물 4 kg 20% 소금물 y kg 물 x kg 증발 물이나 소금물의 기준으로는 공정 전후에 변화가 있으나, 소금은 공정 전후에도 변화가 없이 일정함. 그러므로 소금을 기준으로 input과 output이 동일하다를 이용 총질량 : 4 = x + y 소 금 : 4(0.01) = x(0) + y(0.2) y = 0.2 kg ∴ x = 3.8 kg (물 증발)

식품공학 [예제 1-2-1] 정상상태 Text page 42, 예제 1-2-1 참고 10 증발기에서 1% 4 kg 의 소금물을 10%의 소금물로 농축하려면 증발시켜야 할 수분의 양은 얼마인가? 문제 풀이시, 반드시 소금물의 농축공정도(단위공정, unit process)를 그리시오. 1% 소금물 4 kg 10% 소금물 y kg 물 x kg 증발 물이나 소금물의 기준으로는 공정 전후에 변화가 있으나, 소금은 공정 전후에도 변화가 없이 일정함. 그러므로 소금을 기준으로 input과 output이 동일하다를 이용 총질량 : 4 = x + y 소 금 : 4(0.01) = x(0) + y(0.1) y = 0.4 kg ∴ x = 3.6 kg (물 증발)

1-3 에너지수지 에너지수지: page 45-55 열용량: 예제 1-3-1 현열과 잠열: 예제 1-3-2 에너지 보존의 법칙: 예제 1-3-4 공정에 들어가는 에너지 = 공정을 나가는 에너지 + 공정 중에 축적되는 에너지 (input) (output) (accumulation) (1-3-12) 정상상태의 공정 중 축적량은 0임

1-4 반응속도론 반응속도론 : page 55-66