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Kafe 바로가기주관연구기관 | 세계김치연구소 World Institute of Kimchi |
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 | 한국어 |
발행년월 | 2014-08 |
주관부처 | 농림축산식품부 Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs(MAFRA) |
등록번호 | TRKO201500011251 |
DB 구축일자 | 2015-07-18 |
Ⅳ. 연구개발결과
본 연구는 소규모 김치 제조공정의 자동화 기술 및 장비 개발 분야(세부1)와 절임염수의 재사용 방법 및 친환경 처리기술 개발 분야(세부1의 위탁) 및 절임배추의 위생 및 품질 관리를 위한 표준처리 절차 개발 분야(협동), 그리고 김치제조 자동화장비의 투자 대비 경제성 규명분야(세부2)로 나누어 수행하였고, 각 연구개발 수행내용에 대한 결과 요약은 다음과 같다.
1 소규모 김치 제조공정의 자동화 기술 및 장비 개발
배추절임공정의 생산성 향상을 위하여 배추 연속절임 자동화 기술을 개발하고 소규모 장비로
Ⅳ. 연구개발결과
본 연구는 소규모 김치 제조공정의 자동화 기술 및 장비 개발 분야(세부1)와 절임염수의 재사용 방법 및 친환경 처리기술 개발 분야(세부1의 위탁) 및 절임배추의 위생 및 품질 관리를 위한 표준처리 절차 개발 분야(협동), 그리고 김치제조 자동화장비의 투자 대비 경제성 규명분야(세부2)로 나누어 수행하였고, 각 연구개발 수행내용에 대한 결과 요약은 다음과 같다.
1 소규모 김치 제조공정의 자동화 기술 및 장비 개발
배추절임공정의 생산성 향상을 위하여 배추 연속절임 자동화 기술을 개발하고 소규모 장비로 제작하여 트레일러 상에 설치하였다. 배추 연속절임 자동화 기술 및 장비 개발은 배추를 4시간 이내에 연속으로 절이는 기술을 개발하고 배추 연속절임장비의 자동화공정을 설계한 다음, 배추 투입장치, 배추 2절기와 경사컨베이어, 2절배추 투입장치와 수평컨 베이어, 배추절임조, 염수 주입과 배출 장치, 절임배추 건짐컨베이어, 절임배추 밀기장치, 절임배추 이송컨베이어를 설계하고 1일 20톤의 절임배추를 생산하는 규모로 제작하여 트레일러 상에 설치하고 2013년 5월에 1차 시운전하였다.
이동식 배추절임 트레일러를 개발하기 위하여 배추연속절임 자동화장비를 이동식 평트레일러의 중앙과 후단부에 설치하였고, 무게중심을 낮추기 위하여 염수회수조를 하부에 설치하였으며, 회전이동시 전복되지 않도록 염수재처리장치를 트레일러의 앞부분에 설치하였다. 제작한 이동식 배추절임 트레일러를 2013년 12월에 화성 제작현장에서 2차 시운전하고 염수회수조에 염수 7톤을 채운 상태로 트랙터로 견인하여 2014년 1월 초에 전라남도 해남으로 시속 80km로 이동하면서 이동 중에 트레일러 절임장비의 변형과 안정성을 관찰하였다. 관찰한 결과, 염수회수조의 용접부위가 틈이 생기면서 염수가 소량 누출되었으나 전체 기계설비는 안정하였다. 즉 염수재처장치를 트레일러의 앞부분에 설치하고 염수회수조를 하부에 설치하여 무게중심을 앞으로 하고 낮춘 것이 이동시 안전에 문제가 없음이 증명되었고, 트레일러를 트랙터에 결합하여 이동을 준비하는데 2시간, 이동하여 가동 상태로 설치하는데 2시간이 소요되었다.
참여기업인 해남배추(주) 마당에 트레일러를 설치하고 2014년 2월 중순에 전체 연구진이 월동배추로 산지에서 3차 시운전하여 배추연속절임 자동화장비의 절임배추 생산 공정 조건을 최적화하였다. 즉 배추절임조A에 1.8톤의 절단배추가 자동으로 30분 만에 투입되고 덮개를 덮어 고정시킨 다음 30℃의 고농도염수(30%w/v)를 주입하여(5분소요) 50분간 침지하였다가 냉각되고 묽어진 염수를 배출시키고(5분소요) 다시 30℃의 고농도염수를 주입하여 절였다. 염수의 주입과 침지 배출을 4회 반복(4시간)하고 절여진 배추를 건짐컨베이어와 배추밀기장치를 이용하여 자동으로 배출하였으며, 배추의 투입에서 절임배추의 배출까지 총 5시간이 소요되었다. 트레일러 상에 설치된 배추절임조A, B, C, D 4개를 1시간 간격으로 순차적으로 작동시켜 연속 가동하면 1일 24시간에 4반복씩 가능하므로 4개의 절임조에서 총28.8톤의 배추를 절여서 절임배추를 20톤(절임수율 70%가정) 생산할 수 있는 것으로 평가되었다. 통합공정을 최적화하기 위하여 2014년 4월 초에 전체 연구진이 합동으로 4차 시운전을 하였다. 시운전 결과 세부1은 배추절임장비의 최적운전조건을 설정하였고, 위탁은 염수재처리장치의 운전조건을 설정하였으며, 협동은 절임배추의 품질을 평가하였고, 세부2는 경제성분석 자료를 확보하였다.
양념소넣기 자동화 기술 개발은 양념소넣기 장비의 현장 운용실태와 특허를 조사하여 자동화기술을 교반식, 회전식, 분사식, 침지식 및 바름식으로 분석하고, 경사교반식 양념소넣기 장치와 수평교반식 양념소넣기 장치를 시험하여 특성을 분석하고 양념소넣기 자동화장비의 개발방향을 제시하였으며, 2014년 5월에 G김치공장에서 교반식 양념소넣기 자동화장비로 생산한 김치의 품질을 평가한 결과 수작업으로 제조한 김치와 차이가 없음을 확인하였다.
2. 절임염수의 재사용 방법 및 친환경 처리기술 개발
절임염수의 재사용 방법 및 친환경 처리기술을 개발하기 위하여 기존의 처리기술을 비교 분석하였고, 김치공장에서 사용하는 절임염수의 특성을 분석하였으며, 전기화학방식으로 30회 재사용하는 시험을 통해 염수재처리 시스템을 바스켓필터, 전기화학반응조, 활성탄 여과, 마이크로 필터 순으로 공정을 설계하였다. 그리고 이들 시스템을 트레일러의 제한된 공간에 설치하기 위해 부품을 개발하고 배치도를 재설계하여 집적 설치하고 해남 월동배추 산지로 이동하여 절임배추 생산현장에서 시운전하였다. 시운전 결과 시간당 2톤 처리규모로 절임염수를 처리하여 절임염수의 염도, pH, 산도, COD 및 미생물의 품질을 재사용 가능한 수준으로 유지할 수 있었으며, 잔류염소 발생 농도를 10~20 mg/L로 유지하는 경우 소비 전력량이 평균 0.31 kWh/㎥로 최소화되어 경제성이 있음을 확인하였다.
3. 절임배추의 위생 및 품질 관리를 위한 표준처리절차 개발
절임배추의 위생 및 품질 관리를 위한 표준처리절차를 개발하기 위하여 HACCP 기준에 맞는 절임배추의 품질규격(안)을 pH, 총산, 대장균군수, 병원성미생물, 총균수, 유산균수 및 관능검사의 규격(안)으로 설정하였고, 이러한 규격(안)에 적합한 절임배추를 생산할 수 있는 이동식 배추 자동절임장비 및 염수재처리 장비의 설계기준을 개발하였으며, 개발된 이동식 배추 자동절임장비 및 염수재처리 장비의 현장 시운전을 통하여 생산한 절임배추의 품질을 pH, 총산, 대장균군수, 병원성미생물, 총균수, 유산균수로 측정하고, 김치를 제조하여 관능평가한 결과 이화학적 및 미생물학적 수치가 절임배추의 품질규격(안)에 적합하였고, 이동식 배추절임트레일러로 절인배추로 김치를 제조하여 통상의 김치공장에서 절인배추로 담근 김치와 5주간 품질을 비교 평가한 결과 동등 이상이었다. 그리고 이동식 배추 자동절임장비, 염수재처리장비 및 양념소넣기 자동화장비의 현장 시험을 통하여 김치의 위생·품질관리 표준처리절차(SOP)를 개발하였다.
4. 김치제조 자동화 장비의 투자대비 경제성 규명
김치제조 자동화 장비의 투자대비 경제성을 규명하기 위하여 비용·편익분석 (Cost-Benefit Analysis)을 이용하여 김치제조 자동화 장비의 경제성을 분석하였다. 배추절임 트레일러와 세척 트레일러로 구성된 이동식 배추절임시스템을 1년간 240일 가동할 경우 생산 가능한 절임배추의 양을 추정하고, 이를 통해 이동식 배추절임시스템에 소요되는 비용을 산정하였고, 비용은 시설비, 설비비, 재료비, 인건비, 제조경비, 경상운영비 등이 포함되어 있다. 편익은 이동식 배추절임시스템으로 생산한 절임배추의 판매가격 분석을 통해 산정하였다. 비용·편익분석은 산정된 값을 바탕으로 할인율(할인율 5%, 할인율 10%), 판매실현율(제3년차에 판매량 100% 도달, 제0년차부터 판매량 100%달), 판매가격(적정가격 1,275.9원, 시장가격 평균 추정치의 하한 값 1,732.0원)에 각각 2가지 가정을 도입하여 총 8가지 시나리오에 대해서 분석하였으며 분석기간은 10년으로 하였다. 총 8개의 시나리오에 대한 비용·편익분석의 결과는 편익-비용 비율이 최저 0.915에서 최고 1.367로 나타났으며, 사업 타당성 평가 기준인 BCR≧1.0을 충족하는 시나리오는 총 8개의 시나리오 중 5개로 나타났다. 결론적으로 이 사업은 재무적 관점에서 타당성을 갖고 있으나, 시나리오를 구성하는 세 가지 변수 가운데 확정적인 것이 없기 때문에 사업의 타당성을 단정 지을 수는 없었다.
Ⅳ. Research Results
In order to develop a basic technology for the productivity improvement of kimchi processing equipments, this research was carried out as 4 parts separately, 1) development of small scale kimchi processing technology and equipments, 2) development of reusing method and eco-fri
Ⅳ. Research Results
In order to develop a basic technology for the productivity improvement of kimchi processing equipments, this research was carried out as 4 parts separately, 1) development of small scale kimchi processing technology and equipments, 2) development of reusing method and eco-friendly treatment technology of salting brine, 3) SOP development for the hygiene & QC of salted baechu and kimchi processing and 4) feasibility study of developing the automated kimchi processing equipments.
In order to develop a small scale kimchi processing technology and equipments continuous baechu salting technology within 4 hours and automatic processing system were developed. And small scale equipment parts were made suitable size for the trailer as baechu input hopper, half cutter, slope conveyer, input apparatus, horizontal conveyer, salting tank, salting brine input/output apparatus, salted baechu output conveyer, salted baechu pushing apparatus and salted baechu carry conveyer, then installed on the trailer as 20 tons per day production capacity
In order to develop a mobile baechu salting trailer continuous baechu salting automatic equipments were installed on the middle and rear parts of trailer, salting brine tank was installed on the lower side of trailer for the lowering of gravity center, and the salting brine reusing system was installed on the front of trailer to prevent the fall down of trailer at curve driving. The mobile baechu salting trailer was stable during the moving from Hwasung to Haenam at the speed of 80 km/h by traction with filling 7 tons of brine in the brine tank. Two hours was necessary to prepare the trailer for the moving conditions and the same time was required to establish the trailer for the operation conditions after arrival.
Mobile baechu salting trailer was established on the field of winter baechu production area and test-operated for the optimization of baechu salting automatic equipments. Thirty minutes was necessary to fill the salting tank A with 1.8 tons of half cut baechu automatically, and 240 minutes was required to salting baechu with 4 cycle circulation of salting brine, each cycle consisted of 5 minutes brine injection with 30% salinity at 30℃, 50 minutes salting and 5 minutes ejection. Salted baechu was taken out from salting tank by meshed slope conveyer with pushed by pushing apparatus toward slope conveyer. Total 5 hours was required for 1 cycle baechu salting process at each salting tank and salting tank B, C and D were operated sequentially with 1 hour interval.
Automatic kimchi stuffing technology was developed by searching the kimchi stuffing machine at factories and patent data, and analyzed as blending, rotating, injecting, dipping and spreading types. Horizontal and slope blending type kimchi stuffing machines were tested and the quality of kimchi made with horizontal blending machine was as good as that of conventional hand made kimchi.
In order to develop a reusing method and eco-friendly treatment technology of salting brine, characteristics and treatment technology were analyzed and then reusing system was designed as basket filter, electrochemical reactor, active carbon filter, micro filter process.
Processing parts of reusing system were developed as customized size to the trailer and installed as compact system on the trailer. The trailer was tracted to the field of winter baechu, then test-operated with automatic baechu salting equipment. The results of test-operation were successful to maintain the quality of salting brine as reusable level, as salinity, pH, acidity, COD, total viable cell counts. The electric power was minimized to 0.31 kWh/㎥ at the level of chlorine concentration 10-20 mg/L with 2 tons of salting brine treatment per hour.
In order to develop a standard operation procedure(SOP) for the hygiene & QC of salted baechu and kimchi processing, a SOP of salted baechu suitable for HACCP standards was developed. The quality index of salted baechu for the SOP are pH, total acidity, salinity, moisture content, viable cell counts, yeast & mold counts, coliform bacteria, pathogenic microorganisms and sensory score. Hygiene design specifications to make mobile automatic baechu salting equipment and salting brine reusing equipment were developed. The physicochemical index of salted baechu produced by the mobile automatic baechu salting equipment and salting brine reusing equipment were suitable for the kimchi making quality. Organoleptic quality of kimchi made with salted baechu produced by the mobile automatic baechu salting equipment and salting brine reusing equipment was equal or higher than that of produced by kimchi factory equipments. We established a kimchi making SOP through a test-operation of the mobile automatic baechu salting equipment, salting brine reusing equipment and kimchi sauce stuffing machine.
In order to study the feasibility of developing the automated kimchi processing equipments, the economic evaluation of the automated kimchi processing equipments analyzed by using a cost-benefit analysis. In this study, we estimated the production capabilities of salted baechu. Through this, we estimated the cost of mobile salting system.
The cost include the cost of equipments, materials, labors, manufacturing and working expenses. The benefit is calculated using a cost analysis of mobile salting system.
Cost-benefit analysis is analyzed as eight scenarios with the analysis period of 10 years.
The result show that B/C ratios were between 0.915 and 1.367, and 5 of them have validity, because B/C ratio is upper than 1.0. Consequently, this system have a economic validity, but we can not jump to the conclusion because there are some assumptions.
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