고급 홍삼의 생산 수율을 증가시키는 제어 방법에 관한 실험을 수행하였다. 수삼에서 홍삼을 만드는 과정 중 수증기로 수삼을 찌는 증삼 공정에서 동체균열, 내공, 내백 등이 발생하는데 이는 홍삼의 품질을 저하시키는 원인이 된다. 고급 홍삼의 수율을 증가시키기 위해서는 이런 불량 요인을 최소화하는 방법이 필요하다. 최근까지 대부분의 증삼 공정의 제어는 증삼 과정의 필수 인자인 온도만을 조절하거나 온도와 압력을 동시에 조절하여 제어하는 방법이 연구되었다. 그러나 이는 불량 요인을 최소화하는 목적에 적합하지 못한 것으로 보인다. 이와 달리, 본 연구에서는 기존의 홍삼 제조 방식을 토대로 $96{\sim}99^{\circ}C$의 온도를 유지하면서 수삼의 무게 제어를 통하여 불량 요인을 최소화하는 제어 방법을 제시한다. 무게 제어를 적용한 실험 결과 증삼 과정 후 수삼의 동체균열의 불량요인이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.
고급 홍삼의 생산 수율을 증가시키는 제어 방법에 관한 실험을 수행하였다. 수삼에서 홍삼을 만드는 과정 중 수증기로 수삼을 찌는 증삼 공정에서 동체균열, 내공, 내백 등이 발생하는데 이는 홍삼의 품질을 저하시키는 원인이 된다. 고급 홍삼의 수율을 증가시키기 위해서는 이런 불량 요인을 최소화하는 방법이 필요하다. 최근까지 대부분의 증삼 공정의 제어는 증삼 과정의 필수 인자인 온도만을 조절하거나 온도와 압력을 동시에 조절하여 제어하는 방법이 연구되었다. 그러나 이는 불량 요인을 최소화하는 목적에 적합하지 못한 것으로 보인다. 이와 달리, 본 연구에서는 기존의 홍삼 제조 방식을 토대로 $96{\sim}99^{\circ}C$의 온도를 유지하면서 수삼의 무게 제어를 통하여 불량 요인을 최소화하는 제어 방법을 제시한다. 무게 제어를 적용한 실험 결과 증삼 과정 후 수삼의 동체균열의 불량요인이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.
Experiments for a control method that enhances the yield to produce high quality red ginsengs have been performed. In the first steaming process of a series of processes to produce red ginsengs from raw ginsengs, there occur several undesirable defects on ginsengs such as cracks of ginseng body, ins...
Experiments for a control method that enhances the yield to produce high quality red ginsengs have been performed. In the first steaming process of a series of processes to produce red ginsengs from raw ginsengs, there occur several undesirable defects on ginsengs such as cracks of ginseng body, inside cavity and inside white. These defects lead to deterioration in product qualities. Therefore an improved control method that minimizes these undesirable defects is needed in order to increase the yield of high quality red ginsengs. Until these days, the steaming process control methods such as controlling the steaming temperature and/or pressure have been studied. However, such control methods are not adequate enough to minimize the undesirable defects in steamed ginsengs. On the other hand, in this experiment, we suggest a control method that minimizes the undesirable defects through a weight control of steamed ginsengs, keeping the steaming temperature at $96{\sim}99^{\circ}C$ as usual. Experiments with the weight control show that amount of cracks on the steamed ginseng body can be reduced.
Experiments for a control method that enhances the yield to produce high quality red ginsengs have been performed. In the first steaming process of a series of processes to produce red ginsengs from raw ginsengs, there occur several undesirable defects on ginsengs such as cracks of ginseng body, inside cavity and inside white. These defects lead to deterioration in product qualities. Therefore an improved control method that minimizes these undesirable defects is needed in order to increase the yield of high quality red ginsengs. Until these days, the steaming process control methods such as controlling the steaming temperature and/or pressure have been studied. However, such control methods are not adequate enough to minimize the undesirable defects in steamed ginsengs. On the other hand, in this experiment, we suggest a control method that minimizes the undesirable defects through a weight control of steamed ginsengs, keeping the steaming temperature at $96{\sim}99^{\circ}C$ as usual. Experiments with the weight control show that amount of cracks on the steamed ginseng body can be reduced.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 일반적인 홍삼 제조 방식을 토대로 하여 증삼과정 동안 변화되는 수삼의 무게를 제어하는 방법으로 실험을 진행하였다. 그 이유는 균열을 발생할 수 있는 요인은 실험조건이나 실험 대상의 조건에 따라 불특정하게 발생할 수 있지만 본 실험에서는 동체 균열의 발생은 증삼이 진행되는 동안 수삼 내부로 수분이 과잉 공급되어 표피가 과도하게 팽창하여 이를 견디지 못해 균열이 발생한다고 보기 때문이다.
그러므로 균열의 생성을 최소한으로 억제시키고 원형을 유지하는 것이 고급 홍삼의 수율을 향상시키는 밑거름이 된다. 수삼을 찌는데 있어 중요 인자인 증삼 온도에는 변화를 주지 않는 기존의 홍삼 제조 방식을 유지하면서 증삼공정 동안 수삼의 무게 변화를 측정하고 수삼의 무게가 과도하게 증가하지 않도록 제어를 하여 불량요인들의 발생을 최소화시키는 방법을 연구하였다.
가설 설정
여기서 인삼 내부의 물은 인삼의 평균 온도에서 포화상태에 있으며, 인삼 내부로 증기의 이동을 위한 동력을 외부 물의 분압과 내부 물의 증기압 차이로 가정하였다.
제안 방법
그리고 가열기는 자체 제작한 것으로 직경 1/8-in. Stainless Steel Pipe이고 고온 건조된 공기를 만들기 위해 충전물로 충전해 공기를 가열시켰다.
그러므로 본 실험에서 제안된 방법은 96~99 ℃의 온도에서 수삼 내부로 흡수되는 증기의 양을 조절하여 무게를 일정하게 유지되도록 제어하는 것이 본 실험의 핵심이다.
그 이유는 균열을 발생할 수 있는 요인은 실험조건이나 실험 대상의 조건에 따라 불특정하게 발생할 수 있지만 본 실험에서는 동체 균열의 발생은 증삼이 진행되는 동안 수삼 내부로 수분이 과잉 공급되어 표피가 과도하게 팽창하여 이를 견디지 못해 균열이 발생한다고 보기 때문이다. 그러므로 이 실험에서 제안한 방법은 열처리 조건을 달리하지 않고 기존의 방식을 유지하면서 수삼의 무게를 일정하게 유지하여 고급 홍삼의 수율을 증가시키는 제어 방법을 제시한다. 수삼의 무게 증가를 설명할 수 있는 간단한 모델식을 제시하였으며, 수삼 무게 제어를 위한 수삼 무게 측정을 포함하는 제어시스템을 제안하였으며, on/off 제어 및 PI 제어를 적용한 수삼 무게 제어 실험결과를 보였다.
무게를 제어하지 않고 지속적으로 증기를 유입하여 홍삼을 제조하였다. Fig.
실험에 사용한 수삼은 금산지방에서 자란 등급기준 6년근 2등급 중편삼을 사용하였고, 홍삼 진행 과정은 보통 세삼(세척 단계), 증삼, 치미(잔뿌리 제거), 자연건조, 정형(이상적인 형태로 외형을 다듬는단계), 선별의 단계로 진행된다[12]. 본 실험에서는 고급 홍삼의 제조의 선별은 형태적인 측면만을 보고 판단하였으므로 치미, 정형 단계는 생략하였다. 증삼은 96~99
1 범위 내의 값으로 설정한다. 본 실험에서는 초기 인삼 무게의 5%(k3 =0.05)의 증기가 유입될 수 있도록 설정하였다. 초기 인삼무게 minit(Fig.
그러므로 이 실험에서 제안한 방법은 열처리 조건을 달리하지 않고 기존의 방식을 유지하면서 수삼의 무게를 일정하게 유지하여 고급 홍삼의 수율을 증가시키는 제어 방법을 제시한다. 수삼의 무게 증가를 설명할 수 있는 간단한 모델식을 제시하였으며, 수삼 무게 제어를 위한 수삼 무게 측정을 포함하는 제어시스템을 제안하였으며, on/off 제어 및 PI 제어를 적용한 수삼 무게 제어 실험결과를 보였다.
4(a))를 바탕으로 대략적인 공정이득, 시간상수 및 지연시간 값들을 추정하고, 이 값들로부터 구하였다. 안티 와인드업 기법이 적용된 PI 무게제어 실험에 적용하여, 약간 보완한 결과 제어기 이득은 2, 적분시간은 7분으로 하였다.
이는 실험결과와 잘 일치함을 알 수 있다. 인삼이 쪄지는 것은 인삼의 온도에 주로 좌우되므로, 운전 온도는 인삼을 찌는 recipe에 맞추고, 인삼의 무게는 식 (1)에 따른 외부 증기의 물 분압을 조절하여 무게가 과도하게 늘어나지 않도록 제어하는 방식을 제안한다.
따라서 모델 식 (1)의 각 변수를 찾는 노력은 하지 않았다. 적용 편리성과 증삼 결과를 중심으로 인삼의 무게 측정, 증기 공급 방법 등을 연구하였다.
증삼기 내부로 증기와 고온 건조된 공기를 보내기 위해 Masterflex 펌프와 Welch사의 펌프를 이용하였고, RS232통신이 가능한 전자저울을 통하여 수삼의 무게를 실시간으로 측정하였다. 이 측정된 데이터는 증기의 유입속도와 건조된 공기의 유입을 제어하는 프로그램인 LabView 프로그램으로 전송된다.
이들의 분류 기준은 머리, 몸통, 다리 부분에서 완벽한 조화를 이루는지를 보는 형태적인 면과 홍삼 외부 색깔을 1차 선별 기준으로 한다. 홍삼 외부 형태를 기준으로 천삼, 지삼, 양삼의 3개 등급으로 분류한 다음에 홍삼 품질을 결정하는 가장 중요한 요소인 내부조직도의 치밀도를 적용해 선별한다. 이와 같이 홍삼은 외부 형태와 내부조직의 치밀도에 따라 홍삼의 등급을 선별하는데 그 중 천삼은 전체 홍삼 중 1~2%로 생산량이 매우 적은 고급 홍삼이다.
대상 데이터
실험에 사용한 수삼은 금산지방에서 자란 등급기준 6년근 2등급 중편삼을 사용하였고, 홍삼 진행 과정은 보통 세삼(세척 단계), 증삼, 치미(잔뿌리 제거), 자연건조, 정형(이상적인 형태로 외형을 다듬는단계), 선별의 단계로 진행된다[12]. 본 실험에서는 고급 홍삼의 제조의 선별은 형태적인 측면만을 보고 판단하였으므로 치미, 정형 단계는 생략하였다.
이론/모형
Fig. 3에서의 (A)+(B)의 설정 값과 (C)의 값을 비교하여 증기를 공급하였는데 이 때 무게 제어를 하기 위해 적용되는 제어기는 on/off 제어 규칙을 사용하였다. 증삼이 진행되는 초기에는 Fig.
성능/효과
무게를 제어하는 증삼 실험은 1) Step 공급(제어를 하지 않음), 2) On/off 제어 그리고 3) PI 제어[13,14] 세 가지 방법을 통해 증기를 공급하는 실험이 진행되었고 증삼 후 태양을 통한 자연 건조가 끝나면 홍삼의 외형적인 측면을 기준으로 고급 삼을 선별하였다.
무게를 제어하지 않고 진행되는 홍삼의 제조 경우 과잉 공급된 증기로 인해 동체가 갈라지고 파열되는 현상을 관찰할 수 있었다. 그리고 on/off 제어와 PI 제어를 통해 증삼을 진행할 경우 수삼의 무게 변화가 일정하게 유지되면서 건조가 끝난 후 홍삼의 원형이 잘 보존되고 동체의 균열이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.
위의 on/off 제어와 PI 제어 모두 만족할 만한 무게 제어 결과를 보였다. 더 나은 제어성능을 얻을 수도 있었지만 인삼 균열 방지라는목적에는 이들 제어로 충분하였기 때문에 제어성능 향상에 관한 연구는 진행하지 않았다.
5(a)에서 관찰되는 것처럼 감쇄 진동현상이 보였다. 증삼이 진행되고 약 40분 뒤에는 step 공급에서 보이는 꾸준한 무게 증가 대신 수삼의 무게가 안정화 되는 것을 확인할 수 있었다. 한편, 증삼과 자연 건조를 끝낸 홍삼을 육안을 살펴본 결과 Fig.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
홍삼이란 무엇이며 이것의 특징은 어떠합니까?
수삼은 보통 75중량% 내외의 수분을 함유하고 있어 채굴된 상태 그대로는 1주일 이상 저장하기 어렵고, 특히 유통과정 중에 부패하거나 손상되기 쉽다. 그래서 수삼을 장기간 저장하기 위하여 자연건조를 하게 되는데, 수삼의 껍질을 벗기고 건조시킨 것을 백삼이라고 하며, 껍질을 벗기지 않은 채 증기로 쪄서 건조시킨 담황갈색 또는 담적갈색의 수삼을 홍삼이라고 한다. 덧붙이자면 일반적으로 홍삼은 수삼을 96~99oC의 온도 하에서 3~4시간 동안 찌는 증삼과정 후 태양광에 자연 건조시킨 것으로[1] 갈색화 반응이 촉진되어 갈색의 색상을 띠며 단단하고 10년 이상 장기 보관이 가능하다.
저장 및 유통과정중에 발생하는 수삼의 특징은 무엇입니까?
인삼은 보통 4~6년 재배 후 밭에서 캐내는데, 채굴한 상태의 인삼을 수삼이라 한다. 수삼은 보통 75중량% 내외의 수분을 함유하고 있어 채굴된 상태 그대로는 1주일 이상 저장하기 어렵고, 특히 유통과정 중에 부패하거나 손상되기 쉽다. 그래서 수삼을 장기간 저장하기 위하여 자연건조를 하게 되는데, 수삼의 껍질을 벗기고 건조시킨 것을 백삼이라고 하며, 껍질을 벗기지 않은 채 증기로 쪄서 건조시킨 담황갈색 또는 담적갈색의 수삼을 홍삼이라고 한다.
장기간 보관의 목적외에 홍삼 제조를 진행하는 이유는 무엇입니까?
그러나 홍삼은 단순히 수삼을 장기간 보관하기 위하여 제조되는 것만은 아닌데, 그 이유는 홍삼의 제조 공정 중에 사람의 몸에 유익한 여러 가지 새로운 생리 활성 성분들이 생성되고 또한 홍삼에는 수삼이나 백삼 등 다른 수삼에서는 들어있지 않은 홍삼만의 특수 성분인 말톨(Maltol)과 진세노사이드(Ginsenoside)를 비롯한 특수성분이 들어 있으며 약효가 뛰어나기 때문이다[2-4,7-8,10-11].
참고문헌 (14)
Kim, D. Y. J., "Studies on the Browning of Red Ginseng," Korean Agri. Chem. Soc., 16, 60-63(1973).
Takaku, T., Kameda, K., Matsuura, Y., Sekiya, K. and Okuda, H. "Studies on Insulin-like Substances in Korean Red Ginseng," Planta Med., 56, 27-30(1990).
Lee, S. D. and Okuda, H. "Effect of Acidic Polysaccharide of Korean Red Ginseng on Lipolytic Action of Toxohormone-L from Cancerous Sacites Fluid," Korean J. Ginseng Sci., 14, 67-73(1990).
Do, J. H., Lee, H. O., Lee, S. K., Noh, K. B., Lee, S. D. and Lee, K. S., "Comparisons of Acidic Polysaccharide Content in Various Ginseng Species and Parts," Korean J. Ginseng Sci., 17, 145-147(1993).
Kim, C. S., Kim, M. W., Choi, K. J. and Sung, H. S., "Method for Enhancing Yield of High Quality Red Ginseng by Optimization of Heat Treatment Conditions to Reduce Quality Degrading Factors," Patent Application 1998-019946, Korea Intellectual Property Office(1998).
Kim, C. S., Choi, K. J. and Yang, J. W., "The Method of Manufacture for High Grade Red Ginseng Produce," Patent Application 10-2004-0028046, Korea Intellectual Property Office(2004).
Kim, Y. H. and Shin, C. S., "Method of Manufacturing Red Ginseng," Patent Application 10-2006-0037651, Korea Intellectual Property Office(2006).
Shin, C. S. and Lee, H. J., "Method of Manufacturing White Ginseng and Red Ginseng by Extra-high Pressure Treatment," Patent Application 10-2007-0005157, Korea Intellectual Property Office(2007).
Yun, C. K., "Method for Preparing Red-Ginseng," Patent Application 10-2008-0057415, Korea Intellectual Property Office(2008).
Kim, C. S., Chang, D. P. and Kang, Y. S., "Steaming and Drying Facilities for Red Ginseng," Patent Application 10-2010-0083866, Korea Intellectual Property Office(2010).
Kim, C. B. and Park, S. T., "Heaven Grade Ginseng and Black Ginseng Complex with Heated Drying Device Manufacturing," Patent Application 10-2012-0065760, Korea Intellectual Property Office(2012).
Jujuly, M. M., Vu, T. N. L. and Lee, M., "Analytical Design of PID Controller for Improved Disturbance Rejection of Delay-Free Processes," Korean Chem. Eng. Res., 49, 565-570(2011).
Vu, T. N. L. and Lee, M., "A Unified Approach to the Design of Advanced Proportional-Integral-Derivative Controllers for Time-Delay Processes," Korean J. Chem. Eng., 30, 546-558(2013).
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.