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곡류의 저온관리 기술

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Academic year: 2021

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(1)

집 중 기획

안재환

한국식품연구원 선임연구원 jhahn@kfri.re.kr

김의웅

한국식품연구원 책임연구원 kwoung@kfri.re.kr

서 론

벼는 살아있는 생명체로서 수확 후에도 호흡 등 생명활동을 지속하 기 때문에 호흡작용에 의한 산화 및 성분 분해가 계속적으로 진행되어 양 적, 질적 손실이 발생되며 어느 한계점에 도달하면 상품성을 잃어버린다.

벼가 호흡을 하면 물과 열이 발생하고, 발생된 물과 열은 다시 벼에 흡수 되어 함수율 및 온도가 더욱 상승하게 된다. 1) 상승된 함수율과 온도에 의 해 호흡량은 급격하게 증가하는 악순환이 반복되어 심지어 70~80℃ 정 도로 곡온이 상승하여 열손립(열 등에 의하여 변색 또는 손상된 낟알)이 발생하고 곰팡이 번식으로 변질 또는 부패가 발생되게 된다. 벼의 호흡 작용에 영향을 미치는 인자로는 함수율, 온도, 산소, 광선, 미생물 및 효 소 등이 있으며, 이 중에서 가장 영향을 많이 미치는 인자는 함수율 및 온도이다. 2) 따라서 상온 상태로 저장되는 곡물의 함수율은 15% 이하 로 제한되며 저장온도를 15℃ 이내로 유지하도록 권장되어 왔으며, 벼 의 호흡과 미생물 생육에 필요한 산소 농도를 낮게 유지하는 기밀저장 방법도 이용되고 있다. 벼를 품질 저하 없이 안전하게 저장하기 위해서 저온 저장시설 및 관리 기술이 필수적으로 요구되며, 본고에서는 현재

벼를 품질 저하 없이 안전하게 저장하기 위한 저온 저장 및 관리기술을 소개하고자 한다.

곡류의 저온관리 기술

(2)

집중기획 기획 집중

국내 미곡종합처리장(rice processing complex, RPC)에 적용된 저온 저장시설 및 관리 기술들에 대 해 기술하고자 한다.

함수율 및 온도와 벼의 호흡량의 관계

벼의 호흡관련 관계식

C 6 H 12 0 6 + 6O 2 → 6CO 2 + 6H 2 0 + 677.2 kcal 1 g 1.47 g 0.6 g 3.76 kcal

벼가 호흡하면 탄수화물(당, 糖) 1 g이 분해되 어 1.47 g의 이산화탄소와 0.6 g의 수분 그리고 3.76 kcal의 열이 발생한다.

저장되는 벼의 함수율과 온도에 따라 호흡량 은 많은 차이가 발생하게 된다. 예를 들면 함수율 16%의 벼를 25℃로 저장하였을 때, 7.5℃ 저장에 비해 호흡속도가 증가하여 발열량(發熱量)은 약 11.3배로 증가한다. 그림 1은 곡물 온도와 함수율 에 따른 호흡속도를 나타내며, 곡물 온도와 함수율 이 높을수록 호흡속도는 증가한다. 따라서 벼를 안 전하게 저장하는 것은 물론이며, 쌀의 품질과 에너 지의 효율성 등을 종합적으로 고려하여 벼의 함수 율과 저장온도를 적정한 수준으로 유지하는 것이 중요하다.

함수율과 온도에 따른 품질 저하

수확 후 건조된 벼의 표면에는 곰팡이, 효모 및 세균 등 약 150여 종 이상의 미생물과 해충 또는 해 충알이 들판에서 오염되어 존재하고 있다. 저장 중 이들이 생육할 수 있는 환경여건이 조성될 경우에 는 언제든지 급격한 생육과 번식으로 이어져 곡물 의 질적, 양적 손실이 발생하게 된다. 벼의 함수율 이 상온에서 비교적 안전저장이 가능한 약 15% 수 준으로 건조되었을 경우에도 외기와 저장시설 내부 의 온도 차이에 의해 결로가 발생하게 되거나, 상대 습도가 지속적으로 높을 경우에도 흡습이 일어나 벼의 표면 함수율이 증가되면 부착되었던 미생물의 생육과 번식에 적합한 환경이 조성될 수 있다. 미생 물 및 해충의 생육과 번식에 의해 발생되는 열과 물 로 인해 저장시설의 내부에서는 부분적으로 벼의 함수율과 저장온도가 다시 상승함에 따라 벼 자체 의 호흡량도 증가하게 된다. 호흡량의 증가로 인해 발생되는 열과 물은 다시 미생물과 해충의 번식을 더욱 활성화시키는 등 지속적인 상호작용이 이루어 지게 된다. 이러한 현상으로 국부적인 벼의 함수율 증가가 전체 벼를 변질 또는 부패시키게 된다. 저장

14.7%

17.7%

20.6%

24.0%

예측치

160

120

80

40

0 5 15 25

곡물온도(℃) 호흡속도(CO

2

mg/hrㆍk g-dr ymat ter)

35 45

[그림 1] 벼 함수율과 온도에 따른 호흡속도

[그림 2] 함수율과 온도에 따른 곡물 안전저장한계

4)

(● : 응애(A), \\\ : 발아율(B), // : 곰팡이(C), ■ : 해충(D))

(3)

중 곰팡이는 벼의 함수율이 14.5% 이상이고, 저장 온도가 22℃ 이상일 경우 포자가 발생하고 균사가 형성될 수 있으며, 22~32℃에서는 왕성하게 생육 하게 된다. 또한, 해충은 함수율 12% 이하에서도 번 식할 수 있고, 저장온도가 15℃ 이하에서는 번식을 중지하고, 10℃ 이하가 되면 생육을 중지하며, 5℃

이하에서는 잠복하게 된다. 그림 2는 함수율과 온 도에 따른 곰팡이, 해충 등의 안전저장 한계를 나타 낸다. 저장 중 벼는 산화, 효소 등과 같은 화학적 요 인과 생리적 요인에 의해 품질 저하가 발생되므로 호흡량 및 미생물의 생육을 억제하여 안전한 고품 질 쌀을 유지하기 위해서는 적정한 함수율 유지와 10℃ 이하의 저장온도 준수가 필수적이다. 3)

저장시설의 종류 및 특징

저장시설은 산물저장시설인 평타입 및 호퍼타입 사일로, 평창고 내부에 대형 사각빈을 설치한 산물평 창고, 건물 내부에 설치된 사각빈, 포대나 톤백(Ton bag)을 저장하는 평창고 및 저온저장고 등이 있다.

평창고

평창고는 지금까지 가장 일반적으로 널리 사용 된 양곡보관창고이며 RPC 저장물량의 약 23% 이상 을 차지하는 저장시설로서 규모는 100~300평 정도

이다. 특급 및 1급 양곡보관 평창고는 비교적 단열이 우수하여 저장 여건이 양호하나, 2급 이하의 경우 벼 를 저장하기에는 미흡한 상태이다. 또한, 평창고는 강제 환기작업이 불가능하고, 포대 누적 방법으로 저장하므로 입고된 순서로 반출하기가 어렵다. 저장 형태는 40~60 kg 포대를 누적 저장하며, 톤백일 경 우에는 3~4단을 적재하고 있다. 그림 3은 평창고의 외부 모습과 내부의 저장부를 나타낸다. 평창고는 주로 시멘트 블록으로 시공되었으나 최근에는 철골 구조에 샌드위치 패널을 조립하는 형태로 전한되고 있어 신속한 시공이 가능하고 단열 상태가 매우 우 수하다. 평창고는 단위면적당 저장용량이 가장 낮을 뿐 아니라 벼의 입고 및 출고 작업에 노동력이 많이 요구되며, 상부와 하부의 온도 차이가 발생될 수 있 다. 또한 저장 중에 누적된 다수개의 포대 또는 톤백 의 변질 여부에 대한 점검이 어려운 단점을 갖고 있 다. 이밖에도 내부의 온도 및 습도 관리가 어렵고, 하 절기 해충 발생이 용이한 환경으로 경우에 따라서는 해충방제를 위한 훈증작업이 요구되는 등 관리가 비 교적 힘든 저장시설이다. 특급 및 1급 평창고는 입출 고의 기계화, 곡온관리, 송풍과 냉각이 가능한 산물 평창고로 전환을 강구할 필요가 있다.

사일로

우리나라에서 벼 저장에 사일로가 일반적으로

[그림 3] 평창고의 외부 및 내부 톤백(Ton bag) 저장

(4)

집중기획 기획 집중

이용되기 시작한 것은 RPC가 보급되면서부터이며, 현재 RPC는 저장물량의 67% 이상을 차지하는 주 력 저장시설이다. 사일로 형태는 평타입사일로와 호퍼식 사일로로 구분할 수 있으며, 건조저장 겸용 인 평타입사일로는 벼를 균일하게 혼합하기 위한 교반오거 때문에 저장작업에서 가장 중요한 사일 로 내부 곡온측정이 불가능하므로 장기저장 목적 일 경우 곡온측정 시설의 보완이 필요하다. 그림 4 는 각각 평타입과 호퍼식 사일로를 나타낸다. 호퍼 식사일로는 강제 환기작업 및 간이 건조를 겸할 수 있는 대형 송풍기가 설치된 절충형 호퍼사일로와, 소형 송풍기(5마력)가 부착된 저장 전용 호퍼사일 로가 보급되어 있다. 호퍼식사일로는 자연낙하 배 출을 위해 벼의 안식각을 고려하여 호퍼를 제작하 므로 평타입사일로에 비해 동일한 용량에서 시설 이 높아지므로 외부 구조물의 안전 난간 설치 등 안 전 설비가 필요하다.

사각빈

사각빈은 일본 컨트리엘리베이터(CE)의 임시 저장빈 및 드라이스토아(DS)의 50톤 규모의 빈 개 념을 국내에 도입한 것이다. 사각빈은 주로 철제로 약 50톤 규모의 정사각형 또는 직사각형으로 구성 되어 있다. 그림 5와 같이 주로 가공실 내부에 설 치되어 있고, 6칸씩 양측으로 12칸 정도가 기본적

인 구성이며, 300톤(6칸)에 약 60마력 정도의 대형 송풍기가 부착되어 있는 형태다. 상온통풍건조작 업을 중시하여 4열 24칸을 설치한 경우도 있으나 이 형태는 지금은 거의 설치되지 않고 있다. 사각 빈의 통기마루는 방향성 다공 철판으로 구성되어 있다. 평타입의 경우 배출 초기에는 자연배출이 이 루어지나 저장물량의 약 60% 정도는 송풍기의 풍 압으로 배출하는 방법을 사용하고 있으나 건조한 벼를 배출할 때에 분진 발생 문제가 크게 대두되고 있다. 보급 초기에는 건조를 겸하기 위해 방향성 다공 철판을 설치한 평타입이 주로 설치되었으나 과다한 에너지 사용과 분진이 과다하게 발생하는 문제가 대두되자 설치를 기피하는 추세이다. 최근 에는 연속식건조기의 임시저장빈, 템퍼링 및 저장

[그림 4] RPC에 설치되어 있는 평타입(좌) 및 호퍼식(우) 사일로

[그림 5] RPC 내부에 설치되어 있는 사각빈

(5)

목적으로 호퍼식을 설치하고 있다.

산물평창고

RPC 내부의 기존 사각빈에 비해 대규모의 소수 개의 저장빈을 설치한 형태로서 벼를 산물상태로 저장이 가능하도록 기존의 양곡 보관창고의 내부 를 개조하거나, 층고를 높이고 단열을 강화하여 개 축한 시설이다. 산물평창고는 일반 평창고가 갖고 있는 입고 및 출고 문제의 해결은 물론 통풍 및 냉 각저장이 가능하여 운영관리가 용이한 시설이다.

각 사각빈의 크기는 산물평창고에 따라 차이가 있 으나 약 50~100평 규모이며, 일반적으로 평당 약 10톤 정도 저장이 가능하다. 산물평창고는 단열 사 일로에 비해 하절기의 냉각저장에서 재냉각 기간 이 길다는 장점이 있다. 이는 사일로에 비해서 단열 을 강화하거나, 사각빈을 벽체에 이격시켜 설치하 거나 천장을 높게 설치하여 외부로부터의 열전달 을 감소시킬 수 있어 구조적으로 유리하기 때문이 다. 반면 대형빈으로 설치됨에 따라 투입이 완료된 후에 인력으로 곡물의 균평(均平) 작업을 별도로 실시해야 하는 단점이 있어 최근에는 트래핑 컨베 이어를 이용하여 균일하게 투입하는 방안을 강구 하고 있다. 현재 보급되고 있는 산물평창고 시설의 배출방식은 크게 2가지 형태로서 잔곡이 남지 않도 록 배출에 중점을 두고 사각빈의 하부를 호퍼식으

로 설치한 경우와, 저장능력을 향상하기 위하여 하 부를 평타입으로 제작하고 배출용 오거를 설치한 경우이다. 그러나 평타입의 경우 배출용 오거가 배 출할 수 있는 부분은 원형에 불과하여 사각빈의 4 각 부분은 잔곡이 남아 인력에 의한 배출이 불가피 하다. 그림 6은 산물평창고의 외부 모습과 호퍼식 하부를 나타낸다. 또한, 결로 및 곡온상승 방지를 목적으로 상부 공기의 온도를 제어하기 위하여 상 부의 빈 공간에 유닛쿨러와 덕트를 설치하는 경우 가 있으나 설치 필요성 및 과대 투자 측면에서 논란 이 있다.

냉각저장 기술

일반적으로 알려져 있는 벼의 상온저장의 한계 함수율은 15% 이내로 알려져 있다. 연중 15% 이내 의 저장을 위해서는 벼를 낮은 온도로 냉각하여 저 장하는 냉각저장(冷却貯藏)이 필요하다. 냉각저장 의 효과는 다음과 같다.

식미(食味)유지

그림 7과 같이 벼의 저장온도가 낮을수록 호흡 및 미생물 등에 의한 품질 저하가 최소화되고, 발 아율이 높게 유지되어 연중 식미가 우수하고 균일 한 쌀을 생산할 수 있다.

[그림 6] RPC에 설치되어 있는 산물평창고(좌)와 호퍼식 배출 및 송풍덕트(우)

(6)

집중기획 기획 집중

호흡 억제

벼는 살아있는 생명체로 온도와 함수율이 높을 수록 왕성하게 호흡하며, 이때, 구성 성분인 탄수화 물 1 g이 분해되어 1.47 g의 이산화탄소, 0.6 g의 물 과 3.76 kcal의 열이 발생된다. 벼를 냉각하면 호흡 이 감소하여 호흡에 의한 자연감모량이 줄어들고, 미생물이나 해충의 생육과 번식이 억제되어 품질 저하를 방지할 수 있다.

결로방지

온도가 높을수록 공기는 많은 수분(절대습도, kg/kg)을 함유하게 된다. 반면, 냉각되면 공기가 함 유하지 못하는 양만큼의 수분이 물이 되어 결로(結 露)가 발생하게 된다. 온도차이가 있을 때 따뜻한 쪽에서 결로가 발생하므로 저장시설 내부의 곡온이 낮을수록 저장시설 내부에 결로가 발생할 가능성은 없으며, 외기온도가 많이 낮아져 곡온과 큰 차이가 발생하여 저장시설 내부에 결로가 발생하여도 냉각 된 사일로 내부의 결로량은 대단히 적어진다.

미생물ㆍ해충의 생육억제

벼 표면에는 약 150종 이상의 곰팡이, 효모, 세 균 및 해충 등이 들판이나 또는 작업과정에서 오염 되어 있다. 이들은 생육여건인 온도와 함수율이 적

정하게 유지되면 생육과 번식을 한다. 특히, 상온상 태에서는 즉시 활동이 재개될 수 있는 환경조건이 므로 장기저장을 위해서 반드시 저장온도의 제어 가 필요하다. 미생물들은 일정 수분활성도(Water activity) 이상에서 생육이 용이하며, 곰팡이는 0.90 이상, 효모는 0.85 이상이며, 세균은 0.90 이상에 서 증식된다. 온도 15℃에서 함수율별로 발생 미생 물은 달라지며, 함수율 14~15%에서는 Aspergillus gaucus, 15~15.5%에서는 Aspergillus candidus, 15.5~16%에서는 Aspergillus ochraceus, 16% 이상 에서는 Aspergillus orzae, 17% 이상에서는 Fusarium nivale이 발생한다. 또한 일반적인 벼의 상온저장 함수율인 15%를 기준할 때, 화랑곡나방, 바구미 등 의 해충은 16℃ 이하에서는 알을 못 낳고, 12~13℃

에서 짝짓기가 중단된다. 그림 8은 벼의 저장 중에 발생한 해충 피해을 나타낸다.

벼를 냉각저장하기 위해 사용되는 방법으로는 동절기의 찬 공기, 곡물냉각기 및 일반 저온저장고 등이 있다. 겨울철의 차가운 공기를 이용하는 방법 은 오래전부터 일반적으로 사용하던 방법이며, 곡 물냉각기는 국내에서 1998년에 개발되어 보급되었 다. 저온저장고에 저장하는 방법은 그동안 주로 농 산물에 사용하여 왔으나 최근 일부에서 벼 저장에 사용하고 있다. 벼의 냉각저장방법의 양부(良否)는

상온저장(25℃)

저온저장(10℃)

0 5 10 15

7.5

6.5

5.5

4.5

3.5

저장기간(개월)

전반적인 품질

[그림 7] 벼의 건조온도와 저장온도별 식미(전반적인 품질)변화

5)

[그림 8] 저장 중 벼의 해충피해

(7)

① 연간 냉각저장이 가능한지의 여부, ② 냉각 저장 시 운영비용, ③ 시설관리의 편리성 등으로 판단할 수 있다.

냉각저장의 성패 여부는 냉각온도와 저장 중 곡 온의 유지관리에 달려 있다고 할 수 있다. 벼는 동 결점에 가장 가깝게 냉각 저장하는 것이 호흡 등 제 반 생리작용 측면에서는 가장 유리하다. 그러나 곡 물냉각기나 저온저장고와 같이 기계적인 냉동장치 를 이용할 경우 목표하는 냉각온도를 지나치게 낮 게 할수록 증발코일의 착상(着霜)으로 인해 건조, 송풍저항의 증가, 제상(除霜) 중 시스템 정지 등의 문제가 있으며 설치 및 유지비용이 높아진다.

표 1의 자료는 유럽에서 약 50년 동안 곡물 냉 각저장에 사용한 경험을 토대로 한 자료이다. 벼 냉각저장온도는 함수율에 따라 주로 종자용에 준 해 적용하면 되지만 저장시설의 규모와 형태, 저장 방법 및 기간 등이 저장 중 곡온상승, 저장시설의 위치별 곡온 차이가 발생할 수 있으므로 다소 낮은 온도로 냉각하는 것이 유리하다. 벼의 함수율이 약 15.0% 정도인 경우 약 8℃ 정도이면 1년 이상 안전 하게 저장할 수 있다.

냉각저장과 함수율 관리

벼를 냉각할 경우 상온저장에 비해 호흡억제, 발아율 저하방지, 지방산가 상승억제 등의 효과는

있으나 생리작용이 완전히 억제되는 것은 아니다.

곡온을 낮게 유지하여도 벼의 함수율이 높은 경우 에는 지방산가가 증가하고, 발아율도 낮아져 식미 가 저하한다. 또한, 외부로부터의 전열(傳熱)이나 미숙립 등에 의해 곡온이 상승할 경우 변질 우려가 대단히 크다. 따라서 벼의 저장온도와 함수율에 따 른 안전저장기간을 고려하여도 장기간 냉각저장되 는 벼의 함수율은 반드시 15% 이하로 유지하여야 한다. 특히, 저온저장고에 벼를 저장하는 경우는 냉 각속도가 느린 전도(傳導, conduction)에 의해 냉각 되므로 초기 곡온이 낮게 유지될 때에도 벼의 함수 율이 15%를 넘지 않도록 주의해야 한다. 높은 함수 율의 벼를 장기간 냉각저장할 때, 일부에서는 밥이 부슬부슬해진다는 보고가 있는데 이는 효소작용에 기인되는 것으로 알려지고 있어 반드시 적정 함수 율로 저장하는 것이 매우 중요하다.

외부결로 현상

단열되지 않은 사일로, 사각빈 등에 저장하는 벼를 곡물냉각기로 냉각하면 저장시설 외부에 결 로가 발생하는 경우가 있다. 이는 사일로 및 사각빈 내부의 벼의 온도가 외기에 비해 많이 낮아져 따뜻 한 쪽에 생기는 현상으로 내부의 벼는 전혀 이상이 없으며, 오히려 저장된 벼의 냉각상태가 좋다는 의 미라고 할 수 있다. 즉, 냉장고에 꺼낸 차가운 음료

<표 1> 함수율에 따른 안전저장기간

6)

구 분 종자용 식 용

수분함량(%) 저장온도(℃) 저장기간 저장온도(℃) 저장기간

12~15 9~12 영구 10~14 영구

15~16.5 8~10 1~1.5년 10~12 영구

16.5~18 5~7 4~6월 8~10 6~13월

18~20 5 2~3월 8~10 3~9월

20~22 5 3~4주 8~10 10~25주

22~25 5 1~2주 5~8 5~20주

25~30 4~5 2~3일 4~5 14~30일

(8)

집중기획 기획 집중

캔이 상온에서 외부에 결로가 발생하는 것과 같은 현상이다.

재냉각 및 가공

냉각저장된 벼는 근본적으로 교반, 통풍 및 빈 간의 순환이 불필요하며, 국부적으로 곡온이 처음 온도보다 5℃ 정도 이상 상승할 경우에는 재냉각 을 실시하는 것이 효과적이다. 냉각되었던 벼를 가 공하기 위해 배출하면 외기와 온도차가 있는 경우 결로가 발생하게 되는데, 결로가 발생된 벼를 원료 탱크에 1일 정도 방치하면 벼의 함수율이 약간 증 가(약 0.5% 이하) 하여 가공 중 중량손실의 방지는 물론 가공성도 좋아지는 것으로 조사되고 있다. 원 료탱크에 방치가 어려울 경우에는 순환시켜 벼의 곡온을 외기에 가깝게 유지할 수 있다.

외기를 이용한 냉각저장

외기가 벼의 온도보다 낮을 때 특히, 동절기에 차가운 외기를 벼층으로 불어넣어 대류에 의해 벼 를 냉각하는 방법으로, 우리나라에서는 벼를 동결 에 의한 품질 저하 없이 최대한 낮은 온도에서 냉각 저장이 가능한 저장방법이다. 이 방법은 별도의 냉 동시스템이 불필요하므로 비용도 가장 저렴하여 RPC 등에서 관행적으로 이용해온 냉각방식이다.

사일로, 사각빈 및 산물평창고 등 공기압력실이 부 착되어 있는 저장시설에 설치된 송풍기를 이용하 여 겨울철 찬 공기를 송풍하여 냉각저장할 수 있다.

외기를 이용한 냉각저장방법은 수확기부터 동 절기 이전까지, 그리고 동절기 이후는 외기의 온도 가 높아 사용에 제한을 받는다. 즉, 일부 북부지방 을 제외한 지역에서는 수확 이후 2~3개월 동안 냉 각이 어렵고, 일부 외기가 따뜻한 남쪽 지방에서는 사용이 더욱 제한된다. 만약 함수율 15% 이상이면 이 기간 동안 많은 식미저하가 일어난다. 그리고 봄

철은 재냉각이 불가능한 단점을 갖고 있다. 따라서 단독으로 연중 냉각저장을 할 수 없으므로 곡물냉 각기를 병행하여 사용하면 연중 냉각저장이 가능 하고 에너지 절감 등에서 효과적이다. 외기온도가 낮을 때 송풍하여 냉각하는 것이 좋으며, 외기의 상 대습도가 지나치게 낮을 경우에는 하부에서 건조 가 발생할 수 있으므로 가능한 흐린 날 또는 눈이 내린 후에 송풍하는 것이 좋다.

곡물냉각기를 이용한 냉각저장

곡물냉각기는 온도와 상대습도가 계속 변화하 는 외기를 일정한 온도 및 습도를 갖는 공기로 냉각 하는데 사용하는 냉각시스템이다. 그림 9는 곡물 냉각기의 흐름도를 나타내며 압축기, 응축기, 증발 기 및 팽창밸브 등 기본적인 냉동기기와 외기공기 를 도입하는 필터, 댐퍼 및 송풍기, 상대습도 조절을 위한 재열기, 이들을 연결하는 냉매배관, 밸브류 및 냉매로 구성된 시스템이다. 곡물냉각기는 냉각된 공기를 송풍기를 이용하여 벼층 내부로 강제적으로 송풍하는 시스템으로, 냉각공기가 벼층을 통과하므 로 대류에 의해 빠르게 냉각된다. 국내에서 개발 보 급되는 곡물냉각기는 사일로의 벼를 냉각하는 경우 모델에 따라 차이가 있으나 200~400톤의 벼를 1일

[그림 9] 곡물냉각기의 흐름도

응축기

압축기

증발기 재열기

고압가스 고압 액 저온가스 기타 고압수액기 드라이필터

온도 센서

온도 센서

온도 센서

터보송풍기

압력 센서

(9)

만에 냉각이 가능하도록 설계되어 있다.

곡물냉각기는 공기 충만실이 있는 모든 저장시 설(사일로, 사각빈, 산물평창고 등)에서 동절기 찬 공기를 사용할 수 없는 수확기부터 동절기, 그리고 봄철 이후는 물론 연중 사용이 가능하며, 이동식(또 는 고정식일 경우 덕트설비를 실시함)으로 사일로 등 저장시설에 보관된 벼를 냉각하고, 다른 저장시 설로 이동하여 보관된 벼를 냉각할 수 있어 1대의 냉각기로 다수의 저장시설에 저장된 벼를 냉각할 수 있다(그림 10).

외기를 연속적으로 목표하는 온도까지 냉각하 기 때문에, 증발코일에 착상(着霜)이 발생할 경우 제상(除霜, defrosting)을 위해 정지해야 하므로 최 저로 냉각할 수 있는 온도의 한계는 약 5℃ 정도이

다. 온도가 설정되면 외기온도에 따라 냉각, 가온 또는 외기통풍 등 다양한 방법으로 자동으로 운영 이 가능하도록 설계되어 있다.

그림 11은 사일로 내에서 곡물냉각기에 의해 냉각이 진행되는 상태를 나타낸다. 벼를 냉각 또는 재냉각할 때, 반드시 냉각공기가 벼의 최상층까지 통과할 때까지 충분하게 냉각하여야 한다. 중간에 멈출 경우 냉각된 부분과 그렇지 않은 부분에서 온 도차에 의한 결로가 발생할 수 있기 때문이다. 벼의 냉각속도는 벼층을 통과하는 냉각공기량에 따라 달 라지는데, 곡물냉각기에서 발생되는 냉각공기량은 기본적으로 냉동기의 냉각능력에 따라 달라진다.

외기온도가 높을수록 냉매의 응축온도가 높아지고, 냉각 공기온도를 낮게 설정할수록 냉매의 증발온도 가 낮아져 동일 용량의 냉동기도 냉각능력이 현저 하게 떨어지게 된다. 외기온도가 35℃일 때 냉각공 기량은 15℃일 때의 18% 정도에 불과하므로 수확 기 기준으로 설계된 곡물냉각기는 하절기에 송풍량 이 현저하게 줄어들어 동일중량의 벼를 냉각하는데 1주일 이상이 소요된다. 따라서 최근에는 하절기를 기준으로 하여 냉각능력을 크게 향상시켜 하절기에 도 빠르게 냉각되는 4계절용이 보급되고 있다.

복합냉각방법

표 2와 같이 곡물냉각기와 겨울철 외기를 이용

[그림 10] 곡물냉각기로 사일로의 벼를 냉각하는 장면

[그림 11] 곡물냉각기에 의해 냉각이 진행되는 상태

미냉각 벼층

냉각되는 벼층

냉각된 벼층

곡물냉각기

(10)

집중기획 기획 집중

한 복합냉각 방식과, 외기조건에 적합한 저장시설 을 활용하는 것이 RPC 등에서 가장 저렴하면서 효 과적인 냉각저장 방법이다.

재냉각기간

벼의 왕겨층은 양호한 단열재로서 한 번 냉각 된 벼는 장기간 냉각된 곡온의 유지가 가능하나, 외부로부터의 열전달과 벼 자체의 호흡에 의해 곡 온이 점차 상승하게 되므로 곡온이 냉각온도보다 일정온도 이상 상승하면 재냉각을 실시하여야 한 다. 일반적으로 재냉각시점은 벼 곡온이 냉각된 온 도보다 약 5℃ 정도 상승할 때에 재냉각을 실시한 다. 재냉각시점은 반드시 곡온관리시스템으로 측 정한 곡물 온도를 이용하여 판단하여야 한다.

하부층 과건방지

외기 온도 및 상대습도에 따라 다소 차이는 있 지만 공기가 증발기를 통과하면서 냉각될 때 상대 습도는 95%를 유지하면서 냉각되므로, 곡물냉각 기 출구공기의 상대습도도 거의 95% 수준을 유지 하고 있다. 온도가 1℃ 상승하면 상대습도는 약 5%

정도가 감소하므로 일반적으로 함수율 15%인 벼의 평형상대습도는 70~75% 수준으로서 냉각공기의 온도가 약 4℃ 상승하면 평형상대습도와 동일한 상 대습도가 된다. 저장시설과 약간 떨어진 곳에 곡물 냉각기를 설치하여 덕트로 냉각공기를 보낼 경우, 곡물냉각기에서 나온 냉각공기온도가 4℃ 이상 상 승되면 상대습도가 평형상대습도보다 낮아져 약간

건조하게 된다. 이때는 덕트를 단열하면 냉각공기 온도의 상승을 막을 수 있어 하부의 과건을 방지할 수 있다. 또는 저장시설 가까이 곡물냉각기를 설치 하거나, 덕트에서 냉각공기온도가 상승하지 않을 경우에는 곡물냉각기의 상대습도를 임의로 조절하 여 하부의 건조발생을 방지해야 한다. 대부분 곡물 냉각기는 상대습도의 자동조절이 가능하도록 개발 되어 있다.

저온저장고를 이용한 냉각저장

저온저장고는 벽체를 100 mm 이상의 우레탄 폼으로 단열하고, 그림 12와 같이 실내에 증발 기와 팽창밸브 등으로 구성된 유닛쿨러를 설치하 고, 실외에는 압축기, 응축기 등으로 구성된 콘덴 싱유닛을 설치하여 유닛쿨러에서 나오는 냉각공 기로 저장고내 공기온도를 일정하게 유지하도록 한 시설이다. 그림 13은 저온저장고 전경 및 내부 의 증발기를 나타낸다. 저온저장고 내부공기는 저 장고 내에 설치된 유닛쿨러를 통과하면서 내부공 기보다 약 3℃ 정도 더 냉각되어, 벽체로부터 전열 량, 벼 호흡에 의해 발생되는 열 등 냉각부하를 해 소하여 저온저장고 내 공기온도를 설정치로 유지 하게 된다. 유닛쿨러에서 냉각공기의 설계풍속이

<표 2> RPC에서의 효과적인 벼 냉각저장방법 및 저장시설 월

구분 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 냉각

방식

←곡물냉각기→←동절기

외기이용 →← 곡물냉각기 →

저장 시설

←기본단열(비단열)사일로 →←단열사일로 →← 산물평창고 →

[그림 12] 저온저장고의 흐름도

저온창고 응축기 유닛

응축기

압축기

유닛 쿨러

고압가스 고압 액 저온가스 기타 고압수액기 드라이필터

온도 센서

(11)

2.5~2.75 m/sec 수준이며, 송풍기의 정압이 약 20 mmAq로 대단히 적어 덕트의 유무에 무관하게 유 닛쿨러에서 나온 냉각공기가 톤백에 닿을 때 풍속 은 거의 없는 상태(0 m/sec)가 된다.

따라서 냉각공기는 톤백에 들어있는 벼 층을 통과하지 못하므로 벼의 냉각은 냉각속도가 가장 느린 전도에 의해 냉각되며 냉각공기를 벼층에 불 어넣어 냉각하는 대류에 의한 냉각보다 냉각시간 이 수백~수천배 더 소요된다. 벼의 왕겨층은 반 단열재(半斷熱材)로서 벼의 열전도도는 양파, 사 과 등 청과물에 비해 약 1/3.5에 불과하여 동일조 건일 때 양파나 사과에 비해 냉각에 3.5배의 시간 이 소요된다. 저온저장고를 이용한 벼의 냉각저장 은 낮은 온도의 평창고와 동일한 개념으로 연중 균 일한 고내온도를 유지할 수 있다는 장점도 있지만, 높은 건설비(250만/평)와 낮은 평당 저장물량(약 4 톤/평)으로 냉각비용이 지나치게 비싸지며, 냉각속 도가 늦다. 또한, 산물상태의 저장이 불가능하므로 입출고가 어렵고, 곡온측정 및 통풍 등 곡온관리가 어려운 단점이 있다.

저장전 곡온과 함수율 관리

유닛쿨러, 응축기 유닛 등 냉동시스템이 설정 온도보다 높을 경우는 가동하고, 낮을 경우는 정지 (온/오프 제어) 하면서 저장고 내 온도는 설정치에

맞게 안정적으로 유지된다. 그러나 벼는 냉각속도 가 가장 늦은 전도에 의해 냉각되므로 저장 전 벼의 함수율 및 곡온이 높을 경우 저장 초기에 냉각되지 않고 부패할 수 있어 반드시 함수율을 15% 정도로 낮게 유지하여야 한다. 만약 벼의 함수율이 15% 이 상일 경우에는 저장 전 벼의 온도를 충분히 낮춘 후 에 저장하여 냉각과정에서 중심부 변질 가능성을 방지하도록 한다. 또는 현미 상태로 가공하여 저장 하는 방법을 모색하는 것도 필요하다.

벼의 적재방법

저온저장고에 벼를 저장할 때 일반적으로 톤백 을 사용하는데, 톤백을 적재할 때 가능한 각 톤백이 냉각공기에 직접 접촉되고 곡온측정이 가능하도록 톤백과 톤백 사이에 일정간격을 두는 것이 좋으며, 운반이 용이하도록 지게차가 다닐 수 있는 정도의 충분한 통로를 확보하도록 한다. 단열벽체는 우레 탄폼 패널을 이용하는 경우 벽의 강도가 높지 않다.

단열벽체에 틈이 생기거나 수분이 침투하여 열유 속(熱流束, heat flux)이 생길 경우에는 결로가 발생 하여 벼에 흘러내릴 수 있으므로 벽체와 간격을 두 고 적재하는 것이 바람직하다. 그림 14는 저온저장 고 벽체로부터 공간 없이 벼가 저장된 상태를 보여 준다. 통로의 확보 및 벽체로부터의 이격 등으로 일 반적으로 톤백 3단 적재시 평당 저장물량은 약 4톤

[그림 13] 저온저장고 전경 및 내부의 증발기

(12)

집중기획 기획 집중

수준에 불과하다.

저장고 온도설정 및 온도센서의 설치위치 저장고 내 냉각공기의 설정치는 저장되는 벼의 함수율과 초기곡온에 따라 다르나 유닛쿨러에 착상 이 발생하지 않는 정도에서 낮게 유지하는 것이 좋 다. 유닛쿨러의 설계조건에 따라 다소 차이는 있으 나 7~10℃ 정도로 유지할 경우 착상의 문제는 없 다. 일반적으로 유닛쿨러의 냉매 증발온도와 냉각 공기 온도와의 차이( △ T)는 5~10℃ 정도이나, 전열 면적이 적을 경우 △ T가 커서 비교적 높은 냉각공 기 온도에서도 착상이 생긴다. 착상이 생기면 송풍 저항이 커지므로 제상을 하여야 하며, 제상을 하기 위해서는 냉동시스템을 정지하여야 하는데 일반적 인 제상방법은 살수(撒水), 전열(傳熱), 핫가스 제상 법 등이 있다. 대부분 유닛쿨러가 천장에 설치되어 바닥공기는 유닛쿨러를 통과하지 않으므로 상부와 하부간에 온도차가 발생하므로 고내공기 온도를 측 정하는 온도센서의 위치는 저온저장고의 입구 또는 비교적 하부에 설치하는 것이 필요하다.

가습기의 설치 및 운영

냉각공기는 유닛쿨러를 통과할 때 제습(除濕)되 며, 제습량은 △ T에 따라 달라지나 유닛쿨러 하부에 서 저온저장고 밖으로 배출되는 배수관에 나온 물의

양만큼이 된다. 제습되는 양이 많을 경우 벼가 건조 하게 되므로 이때는 가습기를 부착하여 제습되는 양 만큼의 물을 가수하여야 한다. 가습기 용량이 지나 치게 크게 넣게 되어 가수되는 물량이 지나치게 많 을 경우에는 벼가 흡습되고, 일부 가습기의 경우 분 무된 물이 완전하게 수증기가 되지 않아 과도하게 많이 가습된 벼 층에서는 변질이 발생할 수도 있다.

저장고의 환기

환기구는 통상적으로 저온저장고 내에 유해가 스가 많이 발생하여 저장물이 생리장해를 받는 경 우, 품온과 함수율이 높은 청과물을 냉각저장할 경 우, 또는 초기에 왕성한 호흡에 의해 많은 수분이 발생할 경우에 저장고 내부의 공기를 배출하기 위 해 사용되고 있다. 벼를 저온 저장할 때 불필요하게 환기구를 열어 둘 경우 외부로부터 고온다습한 공 기가 유입되어 냉동시스템이 계속 가동되므로 닫 아놓아야 한다. 저온저장고 내부에서 호흡에 곤란 을 느낄 경우는 저장된 벼가 부패하여 CO 2 가스가 발생한 것이므로 단열문과 환기구를 모두 열어 충 분하게 환기한 다음, 변질 여부를 확인하여야 한다.

결 론

쌀은 가을철에 수확하면 다음 해 수확기 전까

[그림 14] 국내 저온저장고 벽체로부터 공간없이 벼가 저장된 상태

(13)

지는 공급이 되지 않기 때문에, 충분한 양을 수확 기에 저장하여야 하며, 저장된 쌀을 품질 저하 없 이 관리할 필요가 있다. 특히 여름철같이 외부의 온도가 높아질 때에는 품질 저하의 우려가 더욱 높 아지므로 적합한 온도와 함수율을 유지하는 저장 관리 기술이 요구된다. 이러한 상황에서 필요한 양 을 저장하기 위해서는 충분한 저온 저장시설의 공 급과 효과적인 관리 기술의 보급을 통해, 고품질의 쌀을 국민들이 연중 내내 소비할 수 있도록 하여야 할 필요가 있다.

참고문헌

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10. 김동철, 김의웅, 김훈, 이세은, 김상숙 등, 2005,

RPC의 건조저장시설 및 운영기술현황조사 분

석 연구사업. 한국식품연구원 연구보고서(농림

부), G01503-05043.

참조

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