서 론
농산물의 저장은 수확 후 과잉 공급에 의한 가격 폭락을 방지하고 우수한 농산물의 유통 기간을 연장하여 생산 농 가뿐만 아니라 국민 생활 안정과 건강 증진에 중요한 역할 을 담당한다.
특히, controlled atmosphere (CA) 저장은 저온상태에서 저장고의 환경대기 중 산소 농도를 낮추고, 이산화탄소 농 도를 증가시킴으로써 농산물의 호흡작용 억제 및 저장기간 을 연장할 수 있는 기술이다(Park, 2003; Zhu et al., 2013). 하지만 이탈리아, 미국, 일본 등 수확 후 관리기술이 선진 화된 국가에서는 이미 농산물 저장의 50% 이상을 CA 저 장시설을 이용하는 반면 국내에서는 농산물 산지유통센터 와 대형유통업체의 저장유통센터 등 10여 개의 곳에서만 운영되고 있는 미진한 상태이다. 국내에 설치된 CA 저장 시설은 이탈리아나 일본의 CA 시스템을 그대로 수입하여 설치해 운영하고 있기 때문에 설치 및 운영 비용이 비싸고, 시설과 설비에 대한 충분한 운영기술을 습득한 전문인력의 부족, 국산 농산물의 저장특성을 고려하지 않아 발생되는 생리적 장해 등이 국내 CA 저장기술의 보급이 지연된 주 요 원인이다(Park, 2003). 따라서 질소 발생기, 이산화탄소 제거장치, 기밀을 유지하는 저장고 등으로 구성된 CA 저 장 시스템의 국산화 노력이 반드시 필요하다.
선택적 기체분리막(gas separation membrane)은 0.2 mm 내경의 중공 섬유사를 통해 공기를 통과시키면 중공의 벽 으로 융해 및 확산속도가 빠른 산소는 중공의 벽으로 빠져 나오고, 투과속도가 느린 질소는 중공을 통과하여 그대로 배출되는 원리를 이용하고 있으며, 중공사의 소재는 주로 polysulfone이 이용된다(Ye et al., 2005; Kim et al., 2010). 최근 중공사형 기체분리막이 국산화되어 낮은 가격과 높은 에너지 효율의 장점에 의해 천연가스 분리, 합성가스 공정, 연소배가스 세척 등 다양한 응용분야 관심을 받고 있다 (Kim et al., 2008). 또한 미국, 독일, 덴마크에서 생산하는 선박용 CA 컨테이너의 구성기기 중 질소 발생기, 압력변 동흡착 시스템, 이산화탄소 제거장치, 에틸렌 제거기에 핵심 소재로 이용되고 있으며 보급가격도 국내 CA 저장시설의 면적대비 약 1/4 정도로 가격 경쟁력이 우수하다(Verdijck et al., 2001). 최근 국내 연구진은 중공사 분리막 모듈을 이용한 CA 컨테이너를 이용하여 과채류의 품질유지기간을 연장하는 환경을 수학적으로 모델링 한 결과 CA저장시스템은 대기중 의 공기를 컨테이너로 공급하고 배출구에만 기체분리막을 장착하여 저장고 내 산소와 이산화탄소의 농도를 조절하는 방법이 가장 효과적이라고 보고하였다(Chong et al., 2013).
실제 상업적 수준에서 CA 저장 기술을 적용할 때 가장 고려해야 할 사항은 기밀 유지(gas tightness)로 CA 저장고 구조의 적합성과 밀접한 관련이 있다. Choi et al.(1997)는 한국형 CA 저장 시스템을 개발하는데 가장 중요한 것은 저장고의 완전한 기밀유지이며 저장고 내 온도변화에 따라 공기가 수축 또는 팽창을 하는데 대기의 온도가 32℃일 때 CA 저장고의 문을 닫고 0℃까지 냉방을 할 경우에 7.19 bar에서 1.92 bar로 저장고 내 진공압력이 발생하여 저 장고의 바닥과 내벽이 크게 손상될 수 있기 때문에 기밀유 지로 발생되는 압력 차를 보상할 수 있는 압력조절 에어백 (air breather bag)이 반드시 필요하다고 보고하였다.
한편, 국내 CA 저장관련 연구 중 지연 CA 저장이 ‘후지’ 사과의 품질에 미치는 영향(Kweon et al., 2013), 신품종 사 과의 CA 저장특성(Chung et al., 2006), 착색 단고추의 CA 저장 중 탄성도, 경도, 탄수화물의 변화 분석(Yang, 2004) 등 기체환경조절에 따른 농산물의 저장성에 대한 연구결과 가 많이 이루어졌지만 실제 국내에 CA 저장기술이 보급되 지 못한 가장 중요한 원인 중의 하나인 CA 저장 시스템 의 국산화를 해결하기 위한 한국형 CA 저장 시스템 개발 에 관한 연구는 미흡한 실정이다.
본 연구는 농가단위에서 활용 가능한 CA 컨테이너를 국 산화하기 위한 1년차 연구결과로써 기밀을 유지하는데 유 리하다고 판단되는 컨테이너 방식으로 개발방향을 설정하 였다. CA 저장고의 핵심 장치인 질소발생기, 이산화탄소 제거장치는 국내에서 보급되는 부품을 이용하여 개발하였 다. 본 연구에서 개발한 CA 컨테이너 성능은 CA 컨테이 너 내의 기체조성을 얼마나 빨리 조정할 수 있는가와 조성 된 기체환경이 얼마 동안 그대로 유지되는지의 여부로 검증 하였다. 본 연구결과를 바탕으로 금년도에 수확한 후지 사 과를 대상으로 CA 컨테이너 축소모델의 성능을 확인하고, 최종 연구목표인 CA 컨테이너 국산화 모델 설계에 본 연 구결과를 반영할 계획이다.
재료 및 방법
본 연구에서 개발한 농산물 저장용 CA 컨테이너의 시스 템 구성도와 제원은 Fig. 1과 Table 1에 각각 나타내었다. 컨테이너는 기계실(냉동장치와 기체조성장치), 농산물 저장 실, 압력조절 에어백으로 구성되어 있으며 내부용량은 20.9 m3로 약 1.7 ton의 농산물을 저장할 수 있는 크기이다. 특히 1,500×1,500×200 mm 크기의 에어백은 저장고 내 온 도변화에 따른 공기의 수축과 팽창으로 발생하는 압력을 자동 조절하기 위해 저장고 내 상단에 설치하였다. 이 에 어백은 컨테이너 내 온도가 내려갈 때는 외부의 공기를 흡 입하고 온도가 올라갈 때는 에어백 안의 공기를 외부로 배 출하게 된다. 그리고 저장고 내부와 에어백 내부 공기의 온도 차에 의해 에어백 내부에 결로가 발생되기 때문에 에 어백 하부에 고인 물은 관을 통해 외부로 배출되도록 제작 하였다.
본 연구에서 개발한 질소 발생기는 Fig. 2에, 질소 발생 기의 제원은 Table 2에 각각 나타내었다. 질소발생기는 공 기압축기, 공기건조기, 기체분리막, 공기유량 제어기, 기체 농도 표시부 등으로 구성하였다. 대기를 공기압축기로 압 축시킨 후 공기건조기로 수분을 제거하고 기체분리막을 통 과시켜 질소를 만들도록 설계하였다. 공기압축기의 압력은 0.9MPa, 기체분리막의 공기분사 압력은 0.5MPa, 질소의 유량은 10-200 L/min으로 조절되도록 설계하였다.
컨테이너 내부로 질소를 주입할 때 내부의 산소 및 이산 화탄소 농도를 확인할 수 있도록 산소 센서와 이산화탄소 센서를 부착하고 기체농도 표시부에서 확인할 수 있도록 제작하였다(Fig. 3).
산소 센서는 지르코늄(zirconium oxide)방식으로 작동범위 는 0-21%, 정밀도는 ±0.5%이며 이산화탄소 센서는 비분산 적외선센서 방식으로 작동범위는 0-20%, 정밀도는 ±0.1%이 다. 질소 분리를 위해 사용한 분리막의 재질은 polysulfone 으로 원통형의 알루미늄에 케이스에 직경 400 μm의 중공섬 유다발을 접착시켜 넣은 모듈(MN-4060, AIRRANE Co., Daejeon, Korea)을 사용하였다.
본 연구에서 설계 및 제작한 이산화탄소 제거장치는 저 장 중 농산물 호흡에 의해 발생되는 이산화탄소를 효과적 으로 제거하는데 이용하며 제원은 Table 3에 나타냈다. 이 산화탄소 농도가 증가된 컨테이너 내부의 공기는 진공펌프 를 작동시켜 중공사 구조의 분리막에 통과하면 선택적으로 이산화탄소를 분리 및 배출할 수 있도록 제작하였다. 특히, 진공펌프는 분리막의 이산화탄소 제거 성능에 따라 진공압 력을 변화시킬 수 있도록 3개의 진공펌프를 직렬로 연결하 여 구성하였으며 진공펌프의 최대 진공압력은 700 mmHg, 최대압력은 2 bar, 모터 전원은 200W이다.
결과 및 고찰
질소는 대기에서 가장 풍부한 불활성 청정가스로 해양, 식품포장, 화학, 금속가동 등 산업 전분야에서 폭발, 산화, 부패방지용 등으로 널리 이용되고 있다(Kim et al., 2008).
본 연구에서는 컨테이너 내부의 산소를 질소로 치환시키 기 위해서 질소발생기를 개발하였다. 질소 발생기의 산소 치환 성능은 Fig. 4와 같이 CA컨테이너 안의 산소농도를 18.6%에서 1.3%로 낮추는데 걸리는 시간은 총 13시간이 소요되었다. 저장고 내 산소농도가 높을 때는 산소농도가 빠르게 감소하였고, 산소농도가 낮아질수록 시간이 더 소 요되었다. 본 연구에서 개발한 질소발생기의 산소치환 성 능을 고려하면 저산소 CA(1−2% 유지) 및 급속 CA(5일 이내 CA조성 완료)뿐만 아니라 필요에 따라 급속하게 CA 조건을 만들어주어야 하는 농산물을 저장하는데 유용하게 이용될 것으로 판단된다.
질소발생기의 유량에 따른 산소와 질소의 농도는 Fig. 5 에 나타내었다. 질소발생기의 유량이 증가할수록 산소의 농도가 0.09%에서 8.26%까지 증가했으며, 질소의 농도는 99.9%에서 91.73%까지 감소되는 나타났다. 이 것은 기체 분리막을 통과하는 공기량이 많을수록 공기의 속도가 빨라 져 중공사의 벽으로 산소가 통과하지 못하고 그대로 통과 하여 질소와 함께 배출되기 때문에 산소의 농도가 증가한 것이다. 이러한 원리를 이용한다면 저장고 내로 주입하는 산소, 이산화탄소(0.03%), 질소의 농도를 원하는 대로 조절 할 수 있기 때문에 질소발생기 만으로도 충분히 CA저장고 의 기체환경을 조절할 수 있을 것으로 판단된다.
수확 후 농산물의 호흡은 당 또는 유기산을 분해하여 에 너지를 얻는 대사작용으로 산소를 필요로 하고 이산화탄소 를 발생시킨다. 적당한 이산화탄소 농도는 농산물의 호흡을 억제하여 숙성 또는 노화를 지연시키는 작용을 하지만 사과, 배 등과 같은 과일에는 내부 갈변, 이취 발생, 조직 붕괴 등 생리적 장해가 발생할 수 있다(Fonseca et al., 2002; Lee et al., 2012). CA사과 저장의 경우 저장 후 3개월까지는 이산 화탄소 농도를 0.5% 이하로 유지하고, 3개월 이후부터는 1.0% 이하로 유지해야 한다(Kweon et al., 2013).
이산화탄소 제거장치의 성능은 컨테이너 내부의 이산화 탄소 농도를 3.39%까지 증가시킨 후 진공펌프를 작동시켜 이산화탄소 농도가 감소되는 정도로 평가하였다(Fig. 6). 13.5시간 경과 후 CA컨테이너 안의 이산화탄소 농도가 2.49%까지 감소하여, 총 0.9% 감소시키는데 13.5시간이 소 요되어, 이산화탄소 0.1%를 감소시키는데 약 1.5시간이 걸 리는 것으로 나타났다. 그러나, 시간이 경과함에 따라 이산 화탄소 농도가 감소됨과 더불어 산소농도가 증가하는 현상 이 발생하였다. 이 결과는 진공펌프로 저장고 안의 공기를 뽑아내서 저장고 안에 진공이 발생되어 외부공기가 저장고 안으로 들어가 산소의 농도가 증가해서 나타난 것으로 판 단된다. 따라서, 산소의 농도를 유지하면서 이산화탄소를 0.03%까지 감소시키는 방법은 이산화탄소 제거장치를 이 용하기보다 질소발생기를 이용한다면 더 정밀하게 기체농 도를 제어할 수 있고, 제작비용도 점감할 수 있을 것으로 판단된다.
Fig. 7은 질소발생기를 이용하여 저장고 내 이산화탄소를 제거한 결과를 나타낸 것이다. 공기유량을 110 L/min 설정 하여, 저장고 내로 공급되는 기체의 산소농도를 4.8%, 이 산화탄소 농도를 0.03%로 공급되도록 하였다. 시험결과 저 장고 내 이산화탄소 농도를 2.49%에서 0.0%까지 제거하는 데 7.3시간 걸렸으며, 동시에 산소의 농도도 공급되는 산 소의 농도인 4.8%로 감소되는 것으로 나타났다.
CA 저장기술은 농산물 저장에 맞는 기체농도를 일정하 게 유지하는지에 따라 농산물의 품질과 저장기간이 좌우되 기 때문에 저장고의 기체 기밀도가 가장 기본이 된다고 할 수 있다. 저장고 내외의 가스교환이 벽체와 천장, 벽과 바 닥, 문과 벽 사이, 전선이나 호스 등을 통해 항시 이루어 지므로 구조적인 기밀도가 매우 중요한 요건이다.
CA 컨테이너의 기밀유지 성능은 컨테이너 내부의 산소 농도가 유지되는지의 여부로 측정하였다. Fig. 8은 압력조 절 에어백을 설치하지 않은 상태에서 CA 컨테이너의 기밀 유지 성능을 측정한 것이다. 컨테이너 내부의 산소 농도는 약 15분 간격으로 0.1%씩 증가하여 4시간 경과 후 산소농 도가 1.7%에서 2.4%까지 증가하였다. 저온 유지를 위해 컨테이너 내부 온도가 1.5℃에 도달하면 0℃로 하강시키기 위해 냉동기가 작동하는데 이때 컨테이너 내부 공기가 냉 각되면서 진공압력이 발생하여 외기 공기가 컨테이너 내로 흡입되는 것으로 판단된다.
Fig. 9는 압력조절 에어백을 설치하고 컨테이너 입구의 도어를 일정한 압력으로 밀착시켜 줄 수 있는 형태로 개선 하고 기밀유지 성능시험을 실시함 결과이다. CA 컨테이너 내부의 산소 농도를 3.7%로 맞춘 후 8일 동안 냉동장치를 가동하면서 저장고 안의 산소농도가 유지되는지를 조사한 결과, 산소농도가 초기에 0.2% 상승한 후 그대로 유지하는 것으로 나타났다. 산소농도가 초기에 0.2% 상승한 것은 질 소발생기로 산소를 치환하는 과정에서 혼합된 가스가 안정 화되는 과정에서 산소농도가 약간 증가된 것으로 판단된다.
이 결과로 판단해볼 때 컨테이너 방식은 외부가 철재로 용접이 되어있어서 내부의 우레탄 폼과 스테인리스 판넬을 잡아주어서 뒤틀림에 견디는 힘이 강하고 틈새가 없기 때 문에 장기간 기밀을 유지하는데 적합할 것으로 판단된다.
요 약
본 연구는 농가단위에서 활용 가능한 CA 컨테이너를 국 산화하기 위한 1년차 연구결과이다. CA 저장고의 핵심 장치인 질소발생기, 이산화탄소 제거장치는 국내에서 보급 되는 부품을 이용하여 개발하였다. 본 연구에서 개발한 CA 컨테이너 성능은 CA 컨테이너 내의 기체조성을 얼마 나 빨리 조정할 수 있는가와 조성된 기체환경이 얼마 동안 그대로 유지되는지의 여부로 검증하였다. 질소발생기는 공 기의 유량을 조절하여 산소의 농도를 0.09%에서 8.26% 범위에서 정밀하게 조절이 가능하기 때문에 질소발생기 만 으로도 충분히 CA 저장고의 기체환경을 조절할 수 있을 것으로 판단되었다. CA 컨테이너의 기밀성능은 8일간 내 부의 산소농도가 그대로 유지될 만큼 성능이 우수한 것으 로 판단된다. 본 연구결과를 바탕으로 금년도에 수확한 후 지 사과를 대상으로 CA 컨테이너 축소모델의 성능을 확인 하고, 최종 연구목표인 CA 컨테이너 국산화 모델 설계에 본 연구결과를 반영할 계획이다.
