배출식 CA저장 컨테이너 개발과 기체제어성능 분석

본 실험에 사용된 사과는 전라북도 장수군에서 10월 수 확된 후지 사과 중 중량이 200-250 g 내외인 중소과를 선 별한 후 4.5톤을 개발된 컨테이너에 적재하였다.

CA저장 실험 전후에 사과 60개씩을 무작위로 추출하여 경도, 산도, 당도를 분석하였다. 사과 과육의 경도는 texture analyzer (TA-XT2, Stable Micro System Ltd., Surrey, UK) 를 사용하여 penetration test를 수행하였다. 지름 5 mm puncture probe를 사용하였으며 test speed 2 mm/s 속도와 10 mm 깊이로 과육을 통과하였다. 적정산도는 시료 20 g 과 증류수 180 mL를 혼합한 뒤 균질화 하여, 균질화된 시 료 20 mL를 0.1 N NaOH 용액으로 pH 8.2가 될 때까지 적정하고 사과의 주요 유기산 인 malic acid 함량(%)으로 계산하였다. 사과 당도는 사과 과육을 착즙한 후 굴절당도 계(RX-5000α, Atago Co., Tokyo, Japan)로 측정하여 ºBrix 로 나타내었다.

CA저장 컨테이너는 컨테이너와 N₂발생기로 구성되도록 제작하였다. 컨테이너의 기체농도는 온습도, O₂ 및 CO₂를 동시에 측정할 수 있는 통합센서를 이용 컨테이너 내부의 환경을 감지하고, 제어장치를 통해 온도, O₂ 및 CO₂ 농도 를 설정하게 되면 온도는 냉동기에 의해 조절되며, O₂ 및 CO₂ 농도는 N₂발생기와 5개의 전동밸브를 ON/OFF시켜 자동으로 제어되도록 개발하였다. 컨테이너의 크기는 길이, 가로, 높이가 각각 6.0×2.4×2.7 m이며, 상단에는 공기백(air breather bag)을 설치하여 온도변화로 인한 공기의 수축과 팽창에 따른 컨테이너 내외부의 압력 차를 상쇄하도록 설 계하여 기밀 및 형태를 유지하도록 설계하였다(Choi, 1997; Adel, 2002; Naro et al., 2003). N₂발생기는 원형의 흡착제인 CMS (carbon molecular sieve)로 O₂를 걸러내어 N₂를 분리하는 PSA (pressure swing adsorption)방식의 N₂ 발생기(N₂-PSA, Global Standard Air & Gas, Gwangju, Korea)를 주문 제작하였다(Chapon et al., 2004; Park et al., 2015). 내부 환경을 계측하기 위한 통합센서(VT250-02, Soha-tech, Seoul, Korea) 또한 주문제작 하였으며, 온도 및 습도 센서의 작동범위는 각각 -25.0-85.0℃ 및 0.0-100%, O₂ 센서와 CO₂ 센서의 작동범위는 각각 0.1-25.0% 및 0.00-5.00%로 제작하였다. 센서의 성능은 대기상태와 혼합 가스(2.0% O₂, 0.5% CO₂)를 이용하여 검증하였다.

제작된 컨테이너의 기체제어 성능을 분석하기 위하여 시 간 단축실험을 수행하였다. 총 12일의 성능평가기간 동안 온도는 0℃, 습도 90-95%로 설정하였으며, 초기 3일간은 N₂주입 없이 저온저장을 유지하면서 외기(20.9% O₂, 0.03% CO₂) 유입밸브 제어를 통해 CO₂ 농도를 0.5% 이하로 유 지하는 지연 CA기간을 부여하고, 저장고 내 기체조성 후 3일간의 초기 CA저장에서는 N₂발생기에서 생성된 98% N₂ (2% O₂, 0.03% CO₂)와 N₂밸브를 제어하여 CO₂ 0.5% 에 O₂ 2%로 유지하고, 장기 CA저장에서는 CO₂ 1.0%에 O₂ 2%로 유지하는 기간을 6일로 설정하였다. CA컨테이너 제어장치의 정상작동 판단 범위는, 온도는 0-0.5℃에서 냉동 기와 제상작업이 이루어지지 않는 동안은 90% 이상의 습도 를 유지해야 한다. 또한 CA컨테이너 내부의 기체농도는 3 일 후 O₂가 2%로 낮아져서 6일까지 CO₂가 0.1%에서 0.5% 범위 내에서 조절되어야 하며, 6일 이후부터 CO₂ 농도가 0.1%에서 1.0%범위 내에서 조절되도록 제어되어야 한다.

개발된 CA저장 컨테이너는 Fig. 1A와 1B에 나타내었다. 이는 크게 저장 컨테이너 및 N₂발생기로 구성되어 있으며, 컨테이너 내부에는 냉각을 위한 열 교환기 및 내부 환경을 계측하고 N₂발생기를 제어할 수 있는 통합센서 및 제어모 듈이 존재한다. CA저장 컨테이너의 규격은 Fig. 1C에서 나타내는 바와 같이 내부체적 28.6 m³에 최대 사과적재량 은 5,616 kg이며, N₂발생량은 6.0 Nm³/h로 50.6 m³ 규모의 컨테이너 내부농도를 24시간 이내에 목표치 까지 낮출 수 있을 만큼 급속CA가 가능한 용량이다. 온도 및 습도 센서 의 작동범위는 각각 (-25.0-85.0)±0.5℃ 및 (0.0-100)±4.5% 이며, O₂ 센서와 CO₂ 센서의 작동범위는 각각 0.1-25.0% 및 0.00-5.00%에서 정밀도는 각각 ±0.22% 및 ±0.01%로 나타났다(Table 1). 개발된 CA저장 컨테이너에 사용된 N₂ 발생기 및 통합센서는 CA저장 기술을 국내보급하기 위한 저변기술 확보 일환으로 순수 국산화를 달성하여 유지보수 및 경제성에서 장점을 가지며 그 성능 또한 우수하여 추후 CA저장 기술보급에 기여할 것으로 예상된다.

Fig. 1. Schematic diagram (A), picture (B) and specification (C) of CA storage container (① air ventilation valve of air breather bag, ② air ventilation valve, ③ nitrogen ventilation valve, ④ air inhale valve, ⑤ nitrogen injection valve, ⑥ discharge off condensation water loop, ⑦ air breather bag, ⑧ inside heat exchanger, ⑨ outside heat exchanger, ⑩ integrated sensor and control modules, and ⑪ water tank).

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농산물은 수확 후에도 지속적인 호흡작용을 하게 되며 사과의 경우 내부에 축적된 저장양분이 산화되는 과정에서 O₂를 흡수하여 CO₂, 수분 및 호흡열을 방출하게 된다 (Chung & Choi, 1999; Park et al., 2005). 또한 사과는 호 흡 급등형(climacteric) 과실로서 수확시기에 따라 호흡율 및 노화에 직접영향을 미치는 에틸렌 생성량에 차이를 나 타내며 적숙과를 이용한 저장이 이루어져야 한다(Kweon et al., 2010). 하지만, 본 연구는 CA저장 컨테이너가 설정 한 값대로 정밀하게 제어되는지를 평가하는데 초점을 맞추 어 짧은 기간 동안 사과를 CA저장하였기 때문에 Table 2 와 같이 저장 전후의 사과의 품질조사의 차이는 나타나지 않았다. CA 저장 컨테이너에 사과를 입고한 후의 내부 온 도 및 상대습도 변화를 Fig. 2에 나타내었다. 컨테이너 내 부의 온도는 3.27시간 만에 28℃에서 0℃로 낮아졌고, 0℃ 에서 0.5℃로 온도가 상승하는데 소요되는 시간은 52분 이 였으며 다시 냉동기가 동작하여 0.5℃에서 0℃로 온도를 다시 내리는 시간은 10분이 소요되었다. 컨테이너 내부의 습도는 초기 온도를 0℃로 낮추기 위하여 냉동기가 동작하 는 구간에서는 상대습도가 64%에서 33%가지 크게 감소하 였으나 목표온도에는 90.0% 이상을 유지하였고 냉동기의 제상단계 및 열교환기 동작 구간에서는 일시적으로 습도가 85%까지 낮아졌다. 하지만 열교환기 가동 중 나타나는 저 습도 문제는 대부분의 농산물 저장고에서 나타나는 현상 으로 이러한 습도 편차를 줄이기 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 보여진다. 또한 O₂흡착제(carbon molecular sieve; CMS)를 이용한 N₂발생기에서 분리된 N₂의 습도는 8% 가량으로 반복적으로 투입 시 상대습도가 낮아지는 문 제가 발생되지만 본 연구에서 개발한 CA저장 컨테이너에 서는 분리된 N₂를 물속으로 통과시켜 88% 가량의 고습도 로 만들어 해결하였고 상대습도가 낮아지는 현상은 발생하 지 않아 CMS방식의 질소발생기 이용이 효율성 및 경제적 측면에서 적절할 것으로 판단된다.

Fig. 2. Change in temperature and humidity inside CA container.

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CA저장 컨테이너는 O₂의 농도를 낮게 유지하면서 농산 물을 저장하는 기술로서 컨테이너의 기밀여부에 따라 성능 이 크게 좌우된다. 기밀이 유지되지 않는다면 컨테이너 내 부의 O₂ 농도가 지속적으로 상승하게 되고 이를 낮추기 위 해서는 N₂를 자주 공급하게 된다. 이에 따른 N₂발생기와 냉동기의 잦은 동작은 에너지소비를 증가시키고 저장 환경 의 불안정화를 유발해 농산물의 품질저하로 인한 경제적 손실을 가져오게 된다. CA저장 컨테이너의 기밀성 평가를 위하여 컨테이너에 공기를 주입하여 양압이 걸린 상태와 공기를 축출하여 음압이 걸린 상태에서 압력변화를 측정하 여 Fig. 3에 나타내었다. 컨테이너 내부의 온도는 36.7- 37.2℃일때 양압의 경우는 35 mmH₂O에서 10 mmH₂O까 지 감소하는데 120분이 소요되었으며, 음압은 35 mmH₂O 에서 8.0 mmH₂O까지 감소하는데 60분이 소요되었다. Adel (2002)의 연구에 따르면 CA저장에 적합한 기밀기준 은 양압이 25 mmH₂O에서 반감기가 20분 이상으로서 감 압율은 0.625 mmH₂O/min 이하이다. 본 연구에서 개발한 CA컨테이너의 감압율은 양압의 경우가 0.21 mmH₂O/min, 음압의 경우가 0.45 mmH₂O/min로서 기밀성능이 매우 우 수한 상태라고 판단된다.

Fig. 3. Change in pressure test inside the CA container.

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컨테이너의 기밀에 따른 기체조성 유지성능은 Fig. 4에 나타내었다. 농산물이 없는 상태에서 N₂를 주입하여 O₂ 농 도가 21%에서 2.0%로 감소하는데 13.8시간이 소요되었고, O₂ 농도가 2.0%에서 N₂ 공급이 중단되어 2.0-2.1% 사이의 기체 안정화 구간이 2시간 가량 존재하였으나 이후 안정화 되어 19.5시간 동안 2.1%를 유지했고, 47.3시간 동안 2.2% 로 유지되어 우수한 결과를 보였다. 실제 농산물의 CA저 장에서는 12시간 간격으로 CO₂ 농도조절을 위한 N₂ 공급 이 이루어지기 때문에 O₂ 농도 또한 12시간만 유지되어도 CA저장이 가능하다. 따라서 본 연구에서 개발된 CA저장 컨테이너의 기밀 및 기체조성 유지성능은 CA저장에 적합 하다고 판단된다.

Fig. 4. Change in oxygen and carbon dioxide concentration inside CA container.

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CA저장은 저장고 내 기체농도의 정밀제어 능력에 따라 농산물의 저장품질 및 저장기간이 좌우되기 때문에 저장기 간 동안 지정된 기체조성을 정밀하게 자동 제어할 수 있어 야 한다. 수확후 관리매뉴얼에 제시된 ‘후지’ 사과의 CA저 장 환경과 본 연구에서 수행된 단축실험 CA환경을 Table 3에 나타내었다. 사과의 CA저장 과정은 저온저장을 통하 여 사과의 갈변 원인으로 밝혀진 밀병을 소멸시키기 위한 지연 CA 단계(Kweon et al., 2013), 호흡증가에 따른 CO₂ 관리단계 및 장기저장단계로 구성된다. 이러한 3가지 단계 에 따른 CA저장 컨테이너의 O₂ 및 CO₂의 자동제어 성능 분석 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 작동개시 후 76시간까지 1단계 지연CA 구간으로 사과의 호흡에 의하여 O₂를 소모 하고 CO₂ 방출을 통해서 저장고 내 CO₂ 농도가 증가하게 된다. 이때 자동제어 시스템이 외기를 유입하도록 하여 O₂ 농도 20.9%를 회복하고 CO₂를 0.1%로 조절하게 됨에 따 라 O₂는 20.9-20.3%로 유지 되었고 CO₂는 O₂ 농도에 반 비례해서 0.1-0.5%에서 주기적으로 증감이 나타났다. 이후 CA저장 단계에 접어들어 87시간까지 99% N₂ (1% O₂, 0.03% CO₂)가 공급되어 O₂ 농도가 20.7%에서 2.0%까지 낮아졌다. CO₂ 농도는 0.5%에서 0.1%까지 낮아져서 질소 가 계속 공급되더라도 그 이하로는 감소하지 않았다. 이는 사과의 호흡에 의해서 CO₂가 지속적으로 컨테이너 내부에 축적되고 있기 때문으로 판단된다. CA저장 단계에서는 사 과의 호흡에 의한 O₂의 소비 및 CO₂ 증가가 98% N₂ (2% O₂, 0.03% CO₂) 공급에 의하여 조절되며, 2단계 초기 CA 저장 구간에서는 CO₂ 농도가 0.5%에 도달하면 N₂발생기 가 동작하여 CO₂가 0.1%에 도달할 때까지 N₂가 공급되어 O₂ 농도 또한 2.0%로 회복되는 것으로 O₂ 농도는 2.0- 1.7%에서, CO₂는 0.1-0.5%에서 반복적으로 증감을 나타내 었다. 이와 같은 원리로 151시간 이후 3단계 CA저장 구간 에서 O₂ 농도는 2.0-1.5%, CO₂는 0.1-1.0%에서 반복적으 로 증감을 나타내었다. 이러한 결과는 본 연구에서 개발한 CA저장 컨테이너의 제어시스템과 N₂발생기를 통하여 정밀 한 기체제어가 가능하다는 것을 보여준다. 따라서 본 연구 에서 개발한 CA저장 컨테이너는 농산물 입고 후 간편하게 자동제어를 통해 장기 CA저장이 가능 할 것으로 판단된다.

Fig. 5. Variation of oxygen and carbon dioxide concentration inside CA chamber.

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