분쇄기

왜 배우는가: 분쇄는 식품 원료 전처리와 분말 제품 생산의 기본 조작이므로 공정 설계와 품질 관리에 직접 관련된다. 분쇄기의 종류와 특성은 1교시 용어형 문제의 기본 주제이므로 분류 기준과 방식별 특징을 함께 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제126회 1교시 5번, 제123회 1교시 7번, 제98회 1교시 12번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

분쇄기는 고체 원료에 압축·충격·전단력을 가해 입자 크기를 줄이고 표면적을 넓히는 기계이다.

핵심 키워드는 분쇄도, 표면적, 압축력, 충격력, 전단력, 마찰력, 조분쇄, 미분쇄이다.

분쇄는 재료를 잘게 부수어 분말이나 작은 입자로 만드는 단위조작이며, 입자가 작아질수록 같은 질량에서 총표면적이 커진다. 분쇄도는 원료 입자 지름을 제품 입자 지름으로 나눈 값, 즉 분쇄비로 나타낸다. 분쇄도가 클수록 표면적의 증가 폭이 커지므로 추출, 용해, 건조 속도를 높이는 효과도 커진다.

분쇄 결과는 평균 입자 지름만으로 정해지지 않고 입도 분포로 나타난다. 입도 분포가 좁을수록 혼합과 용해가 고르게 이루어지며, 같은 평균 지름이라도 분포가 넓으면 건조와 추출의 균일성이 떨어진다. 따라서 분쇄기 선택은 목표 평균 입도와 함께 분포 폭을 고려해야 한다.

식품 공정에서 분쇄는 추출, 용해, 혼합, 건조의 속도를 높이기 위한 전처리 단계로 쓰인다. 분쇄기는 힘을 가하는 방식과 목표 입도에 따라 나뉘므로, 답안에서는 힘의 방식과 입도 단계를 함께 쓰는 것이 기본이다.

2. 개념 풀이

분쇄는 고체 원료에 기계적 힘을 가해 입자 사이의 결합을 끊고 입자 지름을 줄이는 조작이다. 정식 정의로는 고체 입자에 기계적 에너지를 주어 크기를 줄이고 표면적을 늘리는 단위조작이다. 분쇄의 정도는 분쇄비로 나타내며, 식으로 쓰면 다음과 같다.

$\text{분쇄비} = \frac{D_1}{D_2}$

여기서 D1은 원료 입자 지름, D2는 제품 입자 지름이며 두 값은 같은 단위로 쓴다. 분쇄비가 클수록 원료를 더 잘게 쪼갠 것이다.

재료는 내부의 결함이나 약한 면을 따라 깨지므로, 힘이 집중되는 부분에서 새 표면이 생긴다. 분쇄에 드는 에너지는 이 새 표면을 만드는 데 쓰이는 부분과 재료를 변형시키는 데 쓰이는 부분으로 나뉘며, 입자가 미세해질수록 같은 비율의 크기 감소에 더 큰 에너지가 필요해진다. 이 관계를 설명하는 대표 법칙이 두 가지 있다.

• 리팅어 법칙은 분쇄 에너지가 새로 생긴 표면적에 비례한다고 본다. 미세 분쇄 영역을 설명하는 데 쓰인다.
• 킥 법칙은 분쇄 에너지가 분쇄 전후 크기 비의 로그에 비례한다고 본다. 거친 분쇄 영역을 설명하는 데 쓰인다.
• 압축 분쇄는 두 면 사이에 원료를 넣고 압력을 가해 깨뜨리는 방식이다. 조분쇄기와 롤밀이 이 방식을 쓴다.
• 충격 분쇄는 고속으로 회전하는 해머나 핀이 원료를 때려 깨뜨리는 방식이다. 해머밀과 핀밀이 대표적이다.
• 전단·마찰 분쇄는 회전하는 면과 고정면 사이, 또는 구르는 매체 사이에서 원료를 찢고 갈아내는 방식이다. 볼밀과 콜로이드밀이 해당한다.
• 단열팽창 분쇄는 고압 기체를 노즐로 분출해 생기는 기류 속에서 입자끼리 충돌시키는 방식이다. 제트밀이 해당하며, 팽창 과정에서 유체 온도가 내려가 열에 약한 원료를 다루기 좋다.

분쇄 효율은 원료의 경도, 수분 함량, 온도, 기계의 회전수와 스크린 크기에 따라 달라진다. 원료 수분이 많으면 기계 내부에 달라붙거나 덩어리지므로 분쇄 효율이 떨어진다. 해머밀에서는 스크린 크기가 제품 입도를 정하는 주요 요인이다.

분쇄기는 원료 크기와 목표 입도에 따라 네 단계로 나눈다. 조분쇄기는 큰 덩어리를 거칠게 깨뜨리고, 중간분쇄기는 롤밀처럼 원료를 중간 크기로 만든다. 미분쇄기는 볼밀과 해머밀처럼 분말을 만들고, 초미분쇄기는 제트밀처럼 매우 미세한 분말을 얻는 장비이다. 한 장비가 여러 단계에 걸쳐 쓰이기도 하므로 분류는 주로 제품 입도 기준으로 한다.

볼밀은 회전하는 드럼 안에 강철이나 금속 볼을 많이 넣고 드럼을 돌려, 볼끼리 또는 볼과 드럼 벽 사이에서 충격과 마찰이 일어나게 하는 장비이다. 고운 가루를 얻는 데 유리하며, 볼밀은 수분 3% 미만의 재료를 사용한다. 미분쇄 공정은 충격과 마찰이 함께 작용하므로 발열이 생기기 쉽고, 열에 민감한 원료는 냉각 장치를 붙이거나 단열팽창 방식의 제트밀을 선택한다.