커피 로스팅의 기본원리

 

 

 

커피의 發見

 

한 傳說에 따르면, 커피는 牧童으로부터 벗어난 염소들에 의해 發見되었다. 분명히, 그들은 중간 크기의 灌木의 빨간색 열매들을 먹었을 것이고, 그것은 더욱 기민하게 만들고 刺戟했을 것이다. 그들은 피곤한 기색이 덜한 채 더 먼 거리를 커버할 수 있었고, 북아프리카의 어느 곳에서 13세기 염소지기에게 膳物이었을 것이다. 염소지기들은 자연스럽게 이 열매에 더 주의를 기울였을 것이다.  
당시는 푸드 프로세싱이 대개 修道院들에서 이뤄졌고, 이 한줌의 열매들이 어느 聖職者에게 봐 달라고 맡겨졌다. 그들은 그들이 이 열매들로부터 염소 우유로 치즈를 만들었듯이 쓸모 있는 무엇인가를 끌어낼 수 있을지도 모른다고 생각했다. 
聖職者들은 祈禱와 禮拜 이외에도 飮食에 관한 知識이 있었다. 염소지기들은 염소 行動 專門家들이었다. 
그들은 함께 이런 예전에는 알려지지 않은 灌木으로부터 무엇인가 쓸모 있고 맛있는 것을 찾아내려고 試圖했다. 그들의 첫 試圖는 사람들이 수세기 동안 찻잎들과 藥用植物들로 해온 것과 똑같은 方式으로 그 열매들을 끓여서 飮料를 抽出하는 것이었으나, 구할 수가 없었다.   
좋지 않은 맛에 역겨워 그들은 그 열매들을 불에 던져버렸고 그 위에 쓰레기처럼 두었다. 놀랍게도, 그들의 코는 매우 독특한 냄새를 느꼈다. 그러자, 修道院 室內로 發散된 아로마가 注意와 想像力을 사로 잡았다. 그것은 역사상 최초인 커피가 사람들에게 가지는 놀랄만한 친숙한 效果였다. [1] 

 

 

驚天動地의 아로마 經驗

 

지금은, 그런 아로마 經驗은 전세계 수백만의 사람들이 日常生活에서 당연시된다.   
비록 그것은 方法論的 技術들을 덜 필요한 精巧하지 않은 로스팅 方法이었지만, 놀랍게도 맛있는 결과를 가져온 새로운 어푸로치였다.  

 

 

The Three Princes of Serendip

 

18세기 Horace Walpole가 Horace Mann에게 쓴 편지에서 언급된 어린이 책 <The Three Princes of Serendip>에서, 이상한 시작과 운 좋은 결말의 이야기들이 나온다. [2]
왕자들과 그의 기사들은 the Holy Grail의 요청을 받았다. 
그들은 그들이 요청하지 않은 질문들에 대한 좋은 답들을 우연히 만나게 되었다. 
그로부터, serendipity(뜻밖의 행운, 발견)는 귀중한 무언가를 찾고 더 귀한 가치 있는 뭔가를 발견하는 것을 의미하며, 우리의 성직자들과 염소지기들에게 일어난 일과 똑같은 것이다. 

 

[그림] The Three Princes of Serendipity.
A. Murghal painting by Balchand, as illustrated on the book cover of R.K. Merton and E. Barber, The Travels and Adventures of Serendipity: A Study in Sociological Semantics and the Sociology of Science. Printed with permission from Victoria and Albert Museum, London, UK. © Victoria and Albert Museum, London. 

 

 

우연한 發見 後의 體系的인 硏究

 

과학은 유명한 serendipity의 예들을 가지고 있다. 
가장 유명한 것 중 하나가 不注意한 實驗에서 나온 페니실린의 發見이다. 
페니실린은 실제로 수백만명을 구했다. 
Alexander Fleming은 不注意했을 수 있었겠지만, 그는 好奇心을 가지고 있었다. 무엇이 잘못되었나? 왜?
Serendipity 순간들은 어떤 인상적인 改善을 나타낼 수 있지만, 그 자체는 꾸준한 改善 중에 있는 것은 아니다. 
실패한 실험들로부터 여러 疾病들을 治療하는데 사용될 수 있는 주사가능한 藥品을 얻으려면 많은 作業이 필요하다.  
Serendipity는 거대하고 감격적인 段階일 수 있지만, 건강한 方法論을 필요로 하는 프로세스에 부족하다. 
아주 작은 靈感 후에는 體系的인 硏究가 있어야 한다. 
우리는 분명히 지금 더 맛 좋은 커피를 마시는데, 그것은 우리가 옛날 북아프리카의 聖職者들과 염소지기들보다 더 나은 로스터이기 때문이다.  

 

 

本質的으로 技術的인 커피 로스팅의 問題

 

그것이 바로 우리의 질문이 本質的으로 技術的인 이유이다. 
成功的인 로스팅에서 熱 프로세스가 意味하는 것은 무엇인가?
그 프로세스에서 어떤 化學的 特徵들이 保存되거나 發達될 것인가?
重量은 얼마나 없어지고, 얼마나 많은 “마시는 즐거움”이 얻어질 것인가?
오래전 聖職者들과 염소지기들은 不注意할 수 있었지만, 매년 수백만 달러를 만들어내는 커피 産業은 분명히 그럴 수 없다. 

 

 

本 章의 目的 

 

• 우리가 커피 로스팅을 제대로 하려면 考慮해야할 技術的 知識이 넘치게 많다. 
• 상당히 건조하게 들리겠지만, 우리가 成功하려면 完璧 志向 意圖的 로스팅이 核心 要所라는 것을 記憶해야 한다.  
• 이용가능한 方法들 뿐만 아니라 로스팅의 基本 原理를 마스터하지 않는다면 진정한 커피 專門家는 없다. 
• 그런 테크닉 發展이 전세계에 걸쳐 그 블랙 골드의 傳播를 可能하게 만들었다. 
• 本 章은 로스팅의 基本 原理와, 그리고 매우 간략히 化學的 變化들과 센서리 變化들에서의 結果들을 살펴볼 것이다. 

 

 

 

 

Drying 

 

• 乾燥는 生豆에 存在하는 물을 蒸發시키는 過程(process of evaporating the water)이다. 
• 로스팅이 完了된 후에도 콩 內部에 적은 퍼센트가 여전히 남아있기는 하지만,
  대부분의 물은 커피 콩들이 150 °C에 달하기 전에 除去된다. 
• 물의 끓는점(해면에서 100 °C)이 到達된 후에 모든 水分이 除去되는 것은 아니라는 것은 反直觀的이지만,
  콩의 內部 壓力 때문에 끓는점(boiling temperature)은 더 높아진다. 
• 커피 水分이 蒸氣가 되면 콩 內部에서 다른 가스들이 만들어지기 始作하며,
  콩의 內部 壓力은 극히 높아지고, 따라서 끓는점은 上昇한다. 
• 自由水(free water)가 말라 없어지면, 原材料의 본래 水分에 따라, 커피 콩들은 본래 重量의 8%~10%를 잃는다. [2]  

 

乾燥 段階에서의 變化들 

 

• Amino acids의 아미노基들(amino groups)과
  還元糖(reducing sugars)의 카르보닐基들(carbonyl groups) 간에
  發生하는 Maillard reactions의 어떤 段階들 이외에도 [3],
  로스팅 프로세스의 이 段階 동안에는 어떤 드라마틱한 化學反應들은 사실상 거의 發生하지 않는다. 
• 熱分解 (pyrolysis)를 誘發하기에는 溫度가 여전히 너무 낮다. 
• 에너지 觀点에서 볼 때, 이는 吸熱 過程(endothermic process)인데,
  즉 反應들과 物理的 變化들이 일어나기 위해 에너지를 吸收해야 한다. 
• 이 段階에서 aroma가 만들어지기 始作하며,
  Maillard reaction으로부터의 中間 化合物들의 形成과 나중에 멜라노이딘의 形成을 통하여 discrete color도 發達하기 始作한다 (Figure 8.1). [4] 
• 바람직하지 못한 化合物인 아크릴아미드(Acrylamide) (see Chapter 30)도 이 段階에서,
  아스파라긴(asparagine)과 還元糖들의 反應으로부터 形成된다.  
  그 濃度는 로스팅 始作 시에 絶頂에 달했다가 그 후에 줄어든다. 
• 다른 反應들에 따라
  클로로겐酸(chlorogenic acids)의 異性質體化(Isomerization)와 락톤化(lactonization) [5,6]가 發生한다.
  (커피 化合物들에서의 이들과 餘他 變化들은 본서의 Chemistry section에서 다뤄질 것이다.)   

 

 

 

로스팅 初期 段階(initial stage)  

 

• 이 시점에서는,
  Maillard reactions가 여전히 發生하고 있고,
  콩들은 더 짙어 지며 (Figure 8.2) 糖의 카라멜化(sugar caramelization)가 콩에서 始作한다. 
• 糖 중에서 sucrose가 가장 중요하며, 160 °C 정도 또는 그 이상의 溫度에서 프라이팬(skillet)에서 테이블 슈가를 加熱하여 카라멜을 만드는 것과 비슷하게, 커피에 있는 대부분 타입들의 糖이 熱分解(thermal degradation)를 겪을 것이다. 
• 카라멜化가 시작하는 정확한 溫度는 콩 溫度의 上昇速度에 따라 달라진다. 
• 만일 溫度가 1분당 조금씩만 증가되면, 수쿠로오스 變化(sucrose transformation)는 160 °C에서 始作할 것이지만, 溫度 上昇速度가 더 빠르면 그것은 바뀔 수 있다.
• 溫度가 더 빨리 上昇하면 카라멜化 溫度는 더 높아서 수쿠로오스의 分解(degradation of sucrose)가 180 °C 이상의 溫度에서 發生하기 始作할 수 있을 것이다. [9] 

 

Acidity의 增加

 

• 콩의 酸度(acidity)는 이 段階 동안 增加하는데, 
  炭水化物(carbohydrates)이 카르복실酸類(carboxylic acids)로 分解되기 때문이다.
• 그런 溫度에서는 酸 分解(acid disintegration)는 무시할 정도이므로, 
  酸 形成(acid formation)이 퍼지고 pH가 감소한다. 

 

Other thermolabile compounds의 分解 始作

 

• 트리고넬린(trigonelline)과 클로로겐酸類(chlorogenic acids) 같은
  여타 熱不安定性 化合物들도 分解하기 시작한다. [10] 

 

 

 

The First Crack

 

• 커피 色은 溫度가 上昇함에 따라 더 짙어 진다 (Figure 8.3).  
• 로스팅 프로세스 동안에,
  커피콩들이 팝콘들이 튀는 것을 닮은 소리를 내는 두 瞬間이 있는데, 커피 “cracks”라고 한다. 
• 첫번째 크랙은
  이 段階의 始作 時点에서 일어나는데,
  보통 190 °C 가까이이지만, 크랙 溫度는 커피 타입들에 따라 다르다. 
• 크랙의 特徵은
  콩 擴張(bean expansion)과
  內部構造의 破裂(rupture of its internal structure)인데,
  化學反應들이 二酸化炭素, 물, 有機 揮發性物質들 같은 가스들의 發生을 誘發하기 때문이다. 
• 이 가스들이 나가려 함에 따라,
  細胞壁들을 포함한 커피 內部構造는 擴張하며,
  더욱 浸透 可能하게 만들고(more permeable), 그리고
  커피 블루잉 동안 可溶性 性分들의 抽出이 더 쉽게 만든다.    

 

熱分解(Pyrolysis)

 

• 熱分解(Pyrolysis)가 이 스테이지에서 일어난다. 
• 熱分解 反應은 보통, 低-酸素濃度 環境에서 加熱되는 有機物質들과 聯關된다 [7,8]. 
• 이 프로세스는 有機化合物들이 二酸化炭素, 물, 그리고 ashes로 변하기 전에 形成되는
  中間産物들의 컨트롤된 버닝(controlled burning)과 비슷하다.
• 물론, 그런 化學反應들은 이 最終 스테이지에 달하기 전에 가로막히는데(interrupted),
  좋은 컵의 커피를 生産하는 物質들이 保存되어야 하기 때문이다. 
• Pyrolysis는
  物質들을 分解하여, 처음 生豆에서 發見되는 것들에 비해 더 작은 分子들을 形成할 것이다.     
• 이들은 發熱反應(exothermal reactions)이라는 것을 지적하는 것이 중요한데,
  커피 콩들이 로스팅되는 동안 熱을 만들어 내기 始作한다는 것이다.
• 이는 흥미로운 현상인데,
  pyrolysis는 發生하려면 熱이 필요하지만,
  동시에 그 化學的 變換들(chemical transformations)의 결과로 熱을 만들어 내기 때문이다. 
• 전체 로스팅 프로세스를 볼 때,
  pyrolysis는 發生에 필요한 熱의 약 11%를 만들어내며[13]
  콩들에 의해 發散되는 대부분의 에너지들이 1차 크랙에서 利用 可能하게 된다. 
• 로스팅 프로세스의 각 段階에서 供給되는 熱量(amount of heat)의 變動(varying)이
  서로 다른 化學的 結果들, 따라서 最終 産物에서의 센서리 結果들을 만들 것이다. 

 

 

Caramelization during Stage 2

 

• 이 스테이지에서는 카라멜化(caramelization)가 進行된다. 
• 이 反應은 커피의 컵에서의 독특한 sweet하고 pleasant한 플레이버의 知覺에 關係되지만, 
  이 프로세스가 너무 길게 延長되면 bitter한 結果를 만들어 낼 수 있다. 
• 焙煎度가 진할수록, 맛은 더 쓰다. 

 

acidity → sweetness 

 

• Sweetness가 發生함에 따라, acidity는 焙煎커피가 더 진하게 됨에 따라 떨어지는데,
  이 段階에서 acids가 分解되어 揮發하기 때문이다. 
• 로스팅의 첫 段階에서는 acidity가 增加하지만,
  이 순간부터는 ⇒ acidity가 減少하고
                       ⇒ pH가 增加하여 로스팅이 더 진하게 됨에 따라 7.0에 接近한다. [14]
• 로스팅 프로세스에 따른 pH 行態가 Figure 8.4에 나와 있다. 

 

 

 

Weight loss, Volume increase

 

• 수분 증발로 인한 重量 損失에 더하여,
  콩들로부터 二酸化炭素와 물 제거,
  餘他 揮發性 物質들과 半-揮發性(semi-volatile) 有機 化合物들의 除去로 인한
      추가적인 重量損失(最終 로스팅 컬러에 따라 4%~6%)이 있다. 
• 이 스테이지에서 除去되는 대부분의 물은
  ⇒ 주로 原材料에 存在하는 free water가 아니라는 점이 주지될 수 있다. 
  ⇒ 대신에 그것은 큰 有機分子들을 더 작은 分子들, 二酸化炭素, 그리고 물로 分解하는 化學反應들의 결과이다.
• 이런 식의 콩들의 重量損失은 16%가 될 수 있거나,
  혹은 다크 로스트에서나 原材料 含水率이 높은 경우에는 그 以上이 될 수 있다.  
• 모든 가스를 콩 바깥으로 밀어내는 것이 부피가 增加하는 原因이 되어,
  로스트의 시작부터 끝까지의 全體 膨脹(total swelling)은 40%~60% 사이가 될 것이다. 
• 다크 로스트의 경우들에서는, 最終 로스팅 溫度가 230 °C 이상일 수 있고 그 볼륨은 더블이 될 수 있다 [11, 15]. 

 

Color check and Roasting Temperature 

 

• 로스팅 프로세스가 이 段階에서 끝날 수도 있을 것이다.
• 産業에서, 最終 焙煎度는 컬러에 의해 定義된다. 
• 컬러 品質컨트롤은 그것을 粉碎한 후 커피 컬러를 測定하는 色度計(colorimeters)에 의해 이뤄진다.   
• Online control도 로스팅 프로세스 동안에 필요하며, 콩 粉碎는 時間이 걸리고 色이 프로세스 동안에 매우 빠르게 변하기 때문에 色度計에 의해 이뤄지기 不可能할 수 있다. 
• 콩들마다의 컬러 差異 때문에 콩들의 컬러를 모니터링하는 것은 正確하지 않기 때문에, 로스터 製造業者들은 로스팅 프로세스를 모니터하기 위해 콩의 溫度를 選擇해왔다. 
• 로스팅 工場에서, 이 두 컨트롤 시스템들이 附隨的으로(竝行하여) 稼動된다.
• 로스팅 후에, 커피 컬러는 實驗室에서 체크되고, 원하는 컬러와의 差異가 發生하는 경우에는 다음 로스팅 배치들을 위해 로스터 컨트롤 시스템에서 最終 로스팅 溫度의 設定 포인트가 再調整된다. 

 

SCA Roast Color Classification System

 

 

 

• 産業이 色度計 使用을 始作한 후 수십년 동안, 컬러 尺度에 대한 標準化가 없었다. 
• 서로 다른 製造業者들이 다른 尺度들로 자신들의 色度計들을 生産한다. 
• 심지어 오늘날에도 우리는 다양한 타입들의 컬러 그라데이션들로 作業하는 로스팅 産業體들을 찾아볼 수 있다. 
• 그러나, 1995年에 현재는 Specialty Coffee Association라고 불리는 Specialty Coffee Association of America가 새로운 컬러 分類方法 the Agtron syste을 만들었는데, 컬러 檢出을 위한 보편적인 절차로서 점점 大衆化되어 가고 있다. 
• 컬러미터 스케일의 lightest and darkest limits는 커핑에 의해 결정되었다. 
• Agtron numbe가 狹帶域 赤外線 反射率(narrowband infrared reflectance) 測定을 나타내는데,
  이는 sucrose caramelization의 等級을 檢出하고자 使用되는 것이다. 
• 동시에 이 넘버들은 Table 8.1에 따라 主要 焙煎度의 컬러 디스크들로 變換된다. [16] 

 

 

 

Stage 2에서의 焙煎 커피 

 

• 이 段階 중의 로스트 엔딩은 light and medium dark roasts (Agtron 90 to 45) 사이로 생각된다. 
• 일례로 들 수 있는 것이 우리가 보통 cinnamon roast (Agtron 90)라고 하는 것이다. 
  그것은 light brown 컬러이며, 콩 表面에 오일이 없고, 그 抽出液은 典型的으로 acidic하고 아로마는 완전히 디벨럽되지는 않는다. 
• 약간 더 진한 等級의 다른 로스트를 American roast (Agtron 70–60)라고 하는데, 美國에서 수년전에 매우 인기 높았기 때문이다. 
  그것은 medium brown 컬러이며, 여전히 오일이 없고, sweet하고 slightly acidic한 cup을 준다. 
• Full city 로스트는 약 230 °C 가량의 溫度에서 끝나며, 50에서 45까지의 Agtron color를 낳는다. [17,18] 

 

 

 

The second crack  

 

• 2차 크랙이 이 段階의 初期에 發生한다.  
• 두 크랙들은 모두 熱分解 作用(pyrolysis reaction)에서 높은 피크들의 强度 때문에 發生한다. 
• 앞서 언급된 바와 같이, 이 피크들은 콩 바깥으로의 가스의 猛烈한 破裂(violent bursts of gas)에서 나타나며, “crack”이라는 독특한 소리를 만들어낸다. 

 

Severe damage to cell’s wall fibers

 

• 커피 콩들은 모든 生命體들과 같이 細胞들로 形成된다. 
• 植物들의 경우에, 細胞의 外壁들은 들어오고 나가는 것의 필터 컨트롤링으로서 作用하는 셀룰로오스 纖維 (cellulose fibers)를 가지고 있다. 
• 2차 크랙은 이 纖維들에 대한 심각한 損傷을 誘發하여, 그것들을 늘리고 더욱 더 浸透可能하게(permeable) 만든다. 
• 可溶性 性分들은 抽出되기 더 쉬워지고, 1차 크랙에서 始發된 效果들을 增加시킨다. 
• 추가적인 콩 부피 增加 때문에, 콩 中心으로부터 表面으로의 커피의 天然 오일의 移動이 반드시 있게 된다. 
• 더 큰 콩 擴張(greater beans expansion)은 또한 아로마틱 및 非아로마틱 揮發性 化合物들(aromatic and non-aromatic volatile compounds)의 더 큰 發生을 誘導하지만, 커피의 特徵的인 아로마에 대한 知覺은 揮發性 化合物들의 分解에 따라 변하며, 그것은 다크 로스트에서 發生한다. [11,19]

 

French roast, Italian roast  

 

• 이 段階 동안에 끝나는 로스트가 있고, 어떤 것들은 2차 크랙 중에 끝나며, 또 어떤 것들은 2차 크랙이 마치고 끝나는 경우도 있다. 
• 그들 중 하나가 대중적으로 알려진 이름 French roast (Agtron 45–40)인데, 이는 American roast 보다 acidity가 덜하며, dark roast의 싸한 香味(tang)를 가진다.  
• 더 진한 Italian roast (Agtron 40–35)는 [18] very oily하며, acidity가 없고, 炭化(carbonization)에 의해 모든 tang이 분명하지 않게 된다(obscured) [17]. 

 

Carbonized beans  

 

• 熱分解 發熱 效果(Pyrolysis exothermal effect)는 250 °C 이상의 溫度에서는 떨어지는데,
  많은 부분의 有機化合物들이 이미 그런 溫度에서는 炭化 되었음을 가리키며,
  커피 컬러는 very dark하고 black에 가까워진다. [20]
• 炭化된 콩들(Carbonized beans)은
  바람직하지 못한 쓴맛(undesired bitterness)을 招來하고,
  보통 健康에 해로운데,
  發癌物質인 多環芳香族炭化水素 (polycyclic aromatic hydrocarbons)를 含有하고 있을 것이기 때문이다. [21]  

 

Cooling  

 

• 모든 로스팅 方法들은 發生하려면 熱이 必要하다. 
• 여기서 제시된 서로 다른 로스팅 段階들은 다양한 化學的 및 物理的 變換들을 가지며,
  어떤 것들은 吸熱的이고(endothermic)
  어떤 것들은 發熱的인데(exothermic), 각각은 發生하려면 一定 水準의 에너지를 必要로 한다. 
• 로스팅 反應들을 卽刻 中止하려면 콩들에 대한 迅速한 冷却(Fast cooling)이 遂行되어야 한다. 
• 세계에서 로스트 되는 대다수의 커피의 경우에는, 이것이 물 뿌림(water quenching)을 사용하여 이뤄지며,
  이는 물의 높은 潛熱(high latent heat of the water) 때문에 매우 效率的이다. 
• 스페셜티 커피를 生産하는 會社들은 커피를 식히는데 冷氣(cool air)만을 使用하는 傾向이 있는데,
  그 理由는 물이 콩 水分을 增加시킬 수 있고 바라지 않는 未來 反應들을 促進할 수 있기 때문이다. 

 

Controlling and varying heat transfer

 

• 時間이 지나면서,
  서로 다른 로스팅 段階들에서 供給되는 熱傳導(heat transfer)의 컨트롤링과 變化(controlling and varying)가
  콩의 潛在力을 최대한 活用하면서 最終 센서리 結果들을 調節(modulate)할 수 있다는 것이 觀察되어져 왔다.
• 그 프로세스를 컨트롤링하는 것은 훌륭한 再現도 可能하게 한다.   

 

 

 

Ways of Heat Transfer 

 

熱은 뜨거운 것에서 차가운 것으로, 높은 溫度에서 낮은 溫度로 항상 움직이는 에너지의 한 形態이다. 
物體間 距離 뿐만 아니라 物像(固體, 液體, 氣體)과 같은 側面들에 依存하는 熱을 移送(transfer)하는 여러 方法들이 있다.  
熱 移送은 放射(radiation), 傳導(conduction), 對流(convection)로 나뉜다. 

• 輻射 (Radiation)는
  열이 태양열 같이, 電磁氣波(electromagnetic waves)에 의해 좀 떨어져서(at a distance) 이송되는 경우에 發生한다.
• 傳導 (Conduction)는
  서로 접하고 있는 두 固體 物體들 간의 熱 移動(heat transfer between two solid bodies that are in contact with each other)이다. 한 가지 예는 그릴에서의 飮食 調理 또는 캐서롤 접시(casserole dish)를 사용한 커피 로스팅의 熱 移送方式이다. 
• 對流 (convection)의 경우에,
  熱 移送은 固體 物體와 접하는 液體들 또는 氣體들에 의해 發生한다. 對流는 뜨거운 물에 토마토를 넣고 調理하는 것 또는 우리가 스팀 룸에서 느끼는 熱이다. [22] 

 

A Huge Variety of Coffee Roasters 

 

• 오늘날, 심지어 專門家들이라도 어리둥절하게 할 수 있는 엄청나게 多樣한 로스터 모델들이 있다 (Figures 8.5–8.7). 
  그들은 다양한 형태의 熱傳導를 사용하는 여러 로스팅 테크놀로지들을 提供한다. 
• 로스팅 技術의 發展 歷史를 얼핏 보면, 커피 로스터들에서 사용되는 熱傳達 메커니즘들의 進化에 대한 理解를 쉽게 해줄 것이다.  

 

 

 

 

 

産業的 로스터 進化의 簡略한 歷史

 

• 1960년대 말까지 지난 두 세기 동안 로스팅에서 改善은 별로 없었다. 
• 그 당시에는, 로스팅 디자인의 進化가 느리고 작은 速度로 움직였다. 
• 最初의 産業的 로스터는 손으로 핸들을 돌려 回轉되는 金屬 볼로 이뤄졌다 (Figure 8.8). 
• 冷却을 더 쉽게 해주기 위해 평평한 表面에 커피를 펼칠 수 있도록 하기 위해 內部에 커피 콩들을 넣은 球가 로스터 構造로부터 떼어질 수 있었다. 
• 燃料는 木材나 石炭이었다.
• 이것이 19世紀 中葉 커피 로스터의 原理였다. 
• 볼을 回轉시키기 위한 電氣 모터의 追加 (Figure 8.9) 이외에, 20세기 초까지 주요한 修正들이 없었다. 
• 이 오래된 로스터 디자인은 금속 구(metal sphere) 주위로 공기가 지나가도록 되어있었다. 
• 뜨거운 철강이 對流에 의해 콩들에 열을 이송했다. 즉, 뜨거운 金屬이 콩들과 間接的으로 접해졌다. 
• 드럼은 일정한 回轉을 維持하여, 金屬 볼 아래에 위치한 直火에 의해 콩들이 가능한 均一하게 로스트 되도록 했다. [23]
• 불은 輻射와 對流에 의해 그 球에 熱에너지를 提供할 것이다.  
• 그런 디자인은 콩들이 뜨거운 表面에 직접 닿게 했다. 
• 로스팅은 마치는데 30분 또는 그 이상 걸렸을 것이다. 
• 이 技術을 이용해 더 빨리 로스트하려는 어떠한 試圖라도 그을린 커피 콩을 招來할 것이다. 

 

 

 

 

 

Addition of forced ventilation and cooling tray  

 

• 20세기 초에 나온 다른 로스터 디자인은 드럼 같은 모양의 로스팅 챔버 주위로 强制 通風(forced ventilation)의 追加를 包含했다. 
• 이 뜨거운 공기 흐름은 送風機(blower)에 의해 펌프 되었다. 
• Figure 8.10에 나와 있는 20세기 初盤의 典型的인 로스터와 같이, 이 로스터들은 로스트된 콩들을 위한 外部 冷却板(external cooling tray)이 있었고, 이 트레이에는 움직이는 노(paddles)가 달렸었다.  

 

 

 

Roaster by conduction

 

• 그런 機械的 構成들은 發展을 나타냈지만, 한편 콩으로의 熱傳達은 순수한 傳導(pure conduction)를 維持했다. 
• 비록 로스팅 챔버 주위에 强制 送風이 있었지만, 내부는 아무 것도 바뀌지 않았다: 뜨거운 鋼鐵 表面이 커피 콩들과 直接 接觸되는 方式이었다. 
• 그러나, 우리는 對流(convection)에 의해 소량의 熱을 共給하면서 뜨거운 空氣 일부가 콩들에 닿도록 해주는 구멍들이 뚫린 鋼板(perforated steel sheets)으로 만들어진 드럼들을 생각해야 했다. [23,25]

 

Air flow going through the roasting chamber

 

• 20세기 초반에 질적인 진정한 改善이 일어났는데, 로스팅 챔버를 通過하는 공기 흐름을 가진 最初의 로스터가 美國, 유럽, 브라질 같은 나라들에서 여러 製造業者들에 의해 導入되었다. 
• 이제는 傳導(conduction) 이외에, 소량의 뜨거운 공기가 드럼을 통과할 수 있었고,
  對流(convection)에 의하여 콩들에 熱이 傳達될 수 있게 되었고,
  이는 작지만 진정한 改善이었다. [23,25] (Figures 8.11–8.13). 

 

 

 

 

 

 

Drum roaster using conduction and convection 

 

• 뜨거운 공기가 드럼 안으로 들어가도록 하고 동시에 콩들이 바깥으로 나오지 않도록 하기 위해, 이 디자인에 대해 발견한 솔루션은 Figure 8.14에서 볼 수 있는 바와 같이, 구멍들이 뚫린 金屬板을 드럼의 뒤에 사용하는 것이었다. 
• 드럼을 통과하는 뜨거운 空氣의 量은 적었는데, 그 理由는 그 디자인이 모든 드럼 뒷면을 커버하는 網을 사용했기 때문이고, 그것은 더 많은 空氣 量이 通過하지 못하게 하는 空氣 通過에 대한 障壁이었다. 
• 전체로서 이 시스템은 傳導에 비해 對流의 比率을 2차적으로 維持하는 것이다. 

 

 

Very simple construction, inexpensive. 

 

• 놀랍게도 이런 타입의 技術은 熱을 위해 현재 여전히 使用 中이다.
• 베스트 로스트 品質을 얻기 위해 이용가능한 최상의 디자인을 대표하는 것은 아니라도, 그것은 상당한 長點이 있다:
  매우 간단한 制作이어서 저렴하다.  
• 로스팅 過程으로부터 傳導의 완전한 除去를 위해 그 다음에 이어진 技術들은, 製作費가 상당히 增加하는 훨씬 더 複雜한 裝備를 낳았다.  

 

Continuous drum roasters

 

• 드럼 로스터들이 거의 絶對的으로 君臨했던 時代의 歷史는 連續的 드럼 로스터들에 대한 언급 없이는 完璧할 수 없을 것이다.  
• 그들은 美國에서 1940년대 동안 현실로 나왔다. 
• 그들은 긴 多孔 드럼들로 이뤄져 커피가 한쪽 끝에서 계속 들어가 다른 쪽 끝으로 나왔다.  
• 커피 콩들을 스크류 콘베이어 같이 作動하는 패들에 의해 드럼을 따라 移動될 것이다. 
• 움직이는 동안, 커피는 뜨거운 공기에 接觸할 것이고, 그 커피는 最終 로스팅 컬러에 到達하면 드럼의 排出口에서 나오게 된다. [23,24] 
• 作業의 初期에는 焙煎度에서의 不正確性과 變動을 나타냈는데, 適應(調整)으로 어느 정도의 作業 時間 후에는 安定되었을 것이다.  
• 이와 같은 問題가 原材料에서의 어떠한 變化의 경우에 또는 焙煎度가 다른 새로운 롯트의 生産을 시작할 때 나타났을 것이다.
• 그러므로 실제로 높은 生産 볼륨의 會社들만이 이런 種類의 裝備가 作業에 適合하다고 생각했다. 
• 그것이 이런 타입의 로스터 디자인이 장기적으로 成功하지 못했던 理由일 것이다.  

 

Roaster with fixed drum and rotating paddles 

 

• 1970년대 초에 시작된 시대에 커피 로스터 디자인에서 엄청난 變化를 보게 되었다.  
• 傳導를 除去하거나 드라마틱하게 줄이기 위해, 固定 드럼(fixed drum), 보울(bowl), 에어 제트(air jet), 그리고 餘他 槪念들이 새로운 로스팅 裝備에 追加되었다. 
• Got-Hot이 固定 드럼(fixed drum)과 回轉 패들(rotating paddles)을 가진 최초의 로스터였다. 
• 현재, 일부 製造業體들이 아직도 같은 原理를 사용하여 머신들을 生産하고 있다. 
• Figure 8.15에 나와 있는 바와 같이, 이런 타입의 裝備는 對流的 로스팅(convective roasting)을 사용하고, 로스팅 중에 패들들이 콩들을 이동시키도록 하는데 충분한 많은 量의 空氣를 使用한다.   
• 커피 콩들을 회전시키기 위해 空壓的이고(pneumatic) 機械的인 要所들을 가지므로, 半-流動層 로스터(semi-fluidized bed roaster)라고 생각되며, 在來式 드럼 로스터들보다 더 짧은 로스팅 時間을 제공한다. [23-25] 

 

Bowl roaster  

 

• 보울 로스터(bowl roaster)도 半-流動化 시스템(semi-fluidized system)으로 作動하는 對流式 로스터(convective roaster)이다.  
• Figure 8.16에서, 垂直 軸에서 回轉하는 보울 모양의 로스팅 챔버를 볼 수 있다.
• 뜨거운 공기가 보울에 있는 구멍들을 통해 들어와 콩들이 移動하게 도와주고 콩들을 로스팅한다. 
• 火爐(furnace)는 메인 로스팅 챔버와 완전히 獨立的이라는 것을 볼 수 있다. [24,25] 

 

 

Air jet roaster 

 

• 에어 제트 로스터의 로스팅 챔버가 Figure 8.17에 나와 있다. 
• 이런 타입의 로스터는 流動層 시스템(fluidized bed system)과 같이 작동하는데,
  프로세스 동안에 콩들을 回轉시키는데 空氣만 使用되기 때문이다. [24,25] 
• 이는 半-流動層 로스터에 비해 더 높은 에어 플로우를 必要로 하는데,
  에어 제트의 空氣壓 效果에 의해 콩들을 移動시키면서
  콩들을 붙잡는데 必要한 速度(velocity)를 상당히 超過해야 하기 때문이다.
• 이런 사실과 이런 타입의 로스터에 의해 사용되는 뜨거운 空氣 溫度는
  보통 medium에서 high 熱 傳達率(heat transfer rates)을 招來하여
  매우 빠르게 로스트 되도록 한다 (3분 이내).   

 

 

Roasting fluidized bed roaster

 

• 우리가 air jet를 流動床 로스터(fluidized bed roaster)로 거명하지만,
  이 이름은 Figure 8.18에 나와 있는 테이블 모양의 로스팅 챔버에 더 잘 맞을 것이다. 
• 이 로스팅 시스템은 구멍들이 均一하게 分布된 평평한 表面(flat surface)을 가지고 있다. 
• 구멍들을 통해 放出되는 空氣가 
  金屬 플레이트와 커피 콩들 사이에 空氣層을 形成하여 커피 콩들이 뜨거운 金屬에 닿지 않도록 막아준다. 
• 뜨거운 공기와의 排他的 接觸이 對流 프로세스를 의미한다. 
• 流動床(fluidized bed)이라는 이름은 空氣層 위로 떠 있는 粒子들의 시네마틱한 行態에서 오는데,
  이는 流動體들의 시네마틱한 行態와 비슷하다.   
• 이 로스팅 原理도 보통 높은 熱傳達率로 作動하는 傾向이 있다.  

 

 

Drum Roaster based on Convection

 

• 1970년대에, 對流(convection)을 이용하는 最初의 드럼 로스터 프로세싱이 發明되었다. 
• Figure 8.19에 나온 바와 같이,
  드럼 아래나 주위에서 드럼을 假熱하는 것이 아무 것도 없도록 外部 火爐(external furnace)를 設置하는 것이 必要하다. 
• Figure 8.20에서 보다시피 
  충분한 공기 흐름이 실린더로 들어갈 수 있도록 하기 위해, 드럼의 에어 注入口에 多孔板을 除去할 必要가 있다.
• 이 革命的인 디자인은 傳導가 除去되므로, 對流에 의해 供給되는 熱을 增加시키기 위해 필요했다. 
• 이 技術에서, 뜨거운 空氣는 드럼을 자유롭게 通過하고, 뜨거운 空氣만이 對流에 의해 콩들에 열을 전달한다. 
• 이런 종류의 디자인은 現代式 裝備가 많은 量의 공기 흐름을 使用할 수 있게 해주어, 드럼 로스팅 챔버들이 回轉할 수 있게 半-流動床 시스템(semi-fluidized bed system)을 만들어준다.  

 

 

 

 

 

 

Semi-fluidized bed roasters vs. Fully fluidized bed roasters  

 

지난 수십년 동안, 로스터들은 뜨거운 空氣 量(hot air volume)과 空氣 速度(air speed)의 增加 때문에 品質 管理를 向上시킬 수 있었다는 것이 重要하다. 
그런 것들 때문에 로스터들이 로스팅 프로세스 동안에 더 廣範한 熱傳達範圍 內에서 作業할 수 있게 되었기에, 이런 要因들은 로스팅 柔軟性(roasting flexibility)을 向上시켰다. 
 
이 새로운 技術은 두 가지 範疇로 나뉠 수 있다 : 半-流動床(semi-fluidized bed)과 完全-流動床(fully fluidized beds). 

• Semi-fluidized roasters에서는
  공기 흐름이 너무 强烈하여 로스터 챔버 內部에서의 커피 콩들의 움직임을 容易하게 하지만, 커피 콩들을 완전히 移動하도록 하기 위해서는 여전히 어떤 종류의 機械的 作用이 必要하다.  
• Fully fluidized bed roasters에서는
  로스팅 중에 커피들을 移動시키고 混合하는데 오로지 空氣만을 使用한다.  
  
  Semi-fluidized bed roasters는 디자인들이 아주 광범하고, 심지어 어떤 回轉 드럼 로스터들은 이 原理들을 응용하여 作動할 수 있다. [23.24]  

 

 

 

Physical contact → small area → long roasting time → low roasting quality

 

• 앞서 설명된 바와 같이, 傳導 熱傳達(conduction heat transfer)은 두 固體物體들 간 物理的 接觸에 依存한다. 
• 커피의 경우에, 드럼의 뜨거운 鋼鐵 表面이 콩의 表面과 接觸한다.  
• 완만한 커브를 가진 뜨거운 表面과 작은 콩이 서로 접해 있는 것을 그려보면,  接觸 포인트들이 항상 작을 것이며, 이는 不均一한 로스팅을 招來한다는 것을 쉽게 알 수 있게 된다. 
• 높은 량의 1초-1평방 밀리미터 당 kcal가 이 接點의 작은 에리어(contact points tiny areas)를 通過하더라도,
  각 커피 콩에 공급되는 全體 熱은 2초당 kcal로 계산할 때 작을 것이며, 따라서,
  로스팅 時間이 길어지게 하는 原因이 된다. 
• 로스팅을 빠르게 하려고 하면,
  평범한 傳導-基本의 로스터들은 탄 부분들(burnt spots)과 그을린 콩들(scorched beans)을 만들어내서 低品質의 로스팅이 招來된다.
• 결과적으로, 그들의 로스팅 타임은 30분 이상이 되어야 할 것이다. 

 

Convection-based roasters use air flow

 

• 對流-基盤 로스터들은,
  熱을 傳達하는 작은 地点들(small spots to transfer heat)을 使用하는 대신,
  콩들을 완전히 포함하여 熱을 고르게 그리고
  效率的으로 分散(distributing heat evenly and efficiently)시키는 공기 흐름을 사용한다. 
• 그래서 對流가 더 나은 로스터 製作 原理인데,
  어떤 주어진 배치에 대해서, 그을린 콩들을 豫防하면서,
  더 높은 로스팅 品質,
  더 높은 熱傳達率(higher heat transfer rates) 그리고
  더 짧은 로스팅 타임(shorter roasting time)을 提供한다.  

 

Positive aspects of convection-based roasters  

 

• Convection-based roasters는 理想的인 熱傳達率에 대한 硏究를 하는데 많은 機會들을 열어오고 있다. 
• 이는 모든 것이 동일한 로스팅 배치에서, 로스팅 타임을 달리할 가능성 뿐만 아니라,
  low 傳達率(transfer rates)에서부터 medium과 high 傳達率까지 調節하는 옵션의 可能性을 意味하며,
  이는 原材料 品種에 따라, 그리고
         最終 産物의 원하는 特徵에 따라 커스터마이즈된 로스팅 프로파일의 可能性을 提供해준다. 
• 수년간의 保有 經驗들로부터 産業 專門家들은,
  8분~12분 범위의 로스팅 타임으로 로스팅 프로파일을 調整하는 것이
  대부분의 커피 타입들의 경우에 더 좋고 더 복합적인 테이스트와 아로마를 生成하는데 理想的이라는 것을 發見했다. 
• 그러나, 어떤 경우들에서는 더 긴 로스팅 타임과 더 짧은 로스팅 타임이 분명히 유용하기도 하다. 

 

 

 

본 섹션의 다음 문단은, 對流를 모든 주장들에 대해 고려될 수 있는 熱傳達 方法으로 假定한다. 
로스팅 프로세스 종료시점에서의 높은 컵 品質을 確保하기 위해서는 로스팅 동안에 커피 콩의 溫度가 컨트롤되어야 한다. 이 물리적 파라미터는 熱風 溫度(hot air temperature), 공기 흐름(air flow), 그리고 심지어 熱傳達率(heat transfer rate) 보다 더 주요한 關聯性을 가진다. 이 문제를 평가하기 위해서, 우리는 로스팅 프로세스가 무엇인지, 왜 일어나는지를 먼저 생각해야 한다. 그런 다음, 로스팅에 직접적 영향을 미치는 核心 側面들을 把握할 수 있을 것이다. 

 

 

많은 이들이 콩을 로스트하는 것은 熱氣 溫度(temperature of hot air)라고 잘못된 假定을 한다.

우리가 空氣 溫度를 增加시킴에 따라 로스팅 타임이 짧아지는 것은 사실이지만, 그것은 올바른 結論이 아니다. 

 

 

Roasting depends directly on temperature and air flow. 

 

• 對流에서 核心的으로 重要한 것은 熱氣 흐름(flow of the hot air)이다.  
• 우리의 이해를 넓히기 위해 우리는 작은 실험을 할 수 있다.  
• 먼저, 우리는 로스팅 프로세스에 걸쳐 熱氣 溫度를 일정하게 維持할 수 있는 로스터가 필요하다. 
• 둘째, 이 로스터가 로스팅 챔버를 통과하는 熱氣를 컨트롤할 수 있어야 한다. 
• 첫번째 배취 런에서, 우리는 로스팅 동안 固定된 溫度와 固定된 공기 흐름을 維持할 것이다.  
• 두번째 배취 런에서, 우리는 동일한 熱氣 溫度를 私用하지만, 이번에는 공기 흐름을 크게 增加시킬 것이다. 
• 그 結果는 첫번째 런과 동일한 로스팅을 얻는데 상당히 더 짧은 時間이 될 것이다. 
• 따라서, 로스팅은 溫度와 공기 흐름에 直接的으로 依存한다는 것이 明瞭해 진다. 

 

Heat transfer relies on  two variables: hot air temperature and flow.  

 

• 이제 문제는 이것이다: 이 두 要素들, temperature와 air flow가 컨벡션 로스팅의 실제적인 主要 原因인가?
• 그들은 로스팅을 컨트롤하기 위해 統制되어야 하는 最終的인 要所들인가?
• 로스팅 프로세스에서 커피 콩 內部에서 化學反應들을 일어나게 하는 直接的인 作用 因子들은, 
  hot air temperature도 아니고 그것의 speed도 아니라는 것이 놀라울 수 있을 것이다. 
• Hot air로부터 beans로의 熱傳達이 되어야한다. 
• 熱傳達(heat transfer)는 2개의 變數들이 依存한다: hot air temperature와 flow.
• 그 槪念의 重要性을 이해하면, hot air temperature와 air flow speed가 重要한 協力者들이 된다.    

 

Heat transfer 

 

• Heat transfer는 hot air temperature, 콩 주위의 air flow의 speed, bean temperature, size, 그리고 shape의 값들을 알고 있으면 計算될 수 있다.
• 學術的 觀点에서, 이 計算에 介入되는 다른 熱力學的 變數들이 있지만, 그들은 무시할 정도이다. 熱力學의 科學에서 構築하면, heat transfer는 다음 公式에 의해서 그리고 Figure 8.21에서 說明될 수 있다.  

 

Q = h × A (T air − T bean),

 

where: [22]
           h = heat transfer coefficient (熱傳達係數)
           A = coffee bean surface (커피콩 表面)
           T air = hot air temperature (熱氣 溫度)
           T bean = bean temperature (콩 溫度)  

 

 

Figure 8.21의 그래프는 球(spheres)에 흐르는 氣體들의 熱傳達에 관한 다음 式에 基礎하여 만들어졌다 :

 

( h × D )/k = [0.37 × ( u × D )/ν]0.6.    [22]  

 

 

 

• 앞서 보인 方程式에 따르면, heat transfer는 hot air와 coffee bean 간 溫度差異에 直接的으로 比例한다.
• Heat transfer coefficient(熱傳達係數)는 다른 air temperatures에 따라 달라지지만, 이 사실이 우리가 집는 포인트인 heat transfer와 hot air temperature 간에 直接的인 關係가 있다는 것을 바꾸지 않는다 : 하나가 올라가면 다른 하나도 올라간다.  
• 두번째 式을 자세히 보면, air speed가 hot air temperature와 비슷한 影響을 誘發한다 : speed가 높을수록 熱이 傳達되는 量은 더 클 것이다.  
• Heat transfer에 대한 air speed의 影響은 室外 溫度가 약 0 °C일 때에 느껴질 수 있지만, 만약 −10 °C라면 우리는 더 춥다고 경험한다(느낀다).
• Outdoor temperature는 바람에 연결된 현상인 熱感覺(thermal sensation)과 다르다.
• 더 강하게 부는 바람은 溫度計 測定이 가리키는 것보다 실제로 더 차갑게 느끼게 할 것이다.
• 우리 몸의 溫度는 바람부는 環境에서는 더 낮아지게 되는데, 몸이 차가운 바람으로 더 많은 熱을 傳達하게 하기 때문이다. 

 

Air temperature → air flow → heat transfer  

 

• 이 정보를 科學的 觀点(熱力學 原理)에서 모두 한데 모우면 우리의 結論은 위대한 근거 없는 믿음에 대한 反駁(rebuttal)이 될 것이다. 
• 커피를 적정하게 로스트하는 이상적인 hot air temperature에 관하여 많은 것들이 말해져 오고 있지만, 커피 콩들은 우리처럼 그것에 直接的으로 影響을 받지 않는다. 
• 진짜 문제는 hot air flow와 熱交換率(heat exchange rate)에 의해 컨트롤되는 bean temperature이다. 
• 만일, 높은 hot air temperature와 느린 air flow를 가진다면, 우리가 사우나에서 타는 것을 겪지 않는 것처럼 콩들은 빠르게 로스트 되지 않을 것이다. 
• 이유는 간단하다: 두 경우들에서 모두 熱交換이 아주 적기 때문이다. 
• 한편, 더 낮은 air temperature와 아주 빠른 air flow는 콩 배취를 나쁘게 태워서 버리게 만들 수 있다.  
• 만일 우리가 heat transfer 槪念을 잘 理解한다면, 우리는 어떤 주어진 순간에 얼마나 많은 열이 배취로 傳達될 것인가를 사전에 분명히 나타낼 수 있을 것이다. 
• 熱 供給 세팅을 명심하고, 드럼 內部의 air temperature에 의해 散漫해져서는 안된다.   

 

Combinations of hot air temperature and air flow speed

 

• 지금까지 설명된 바와 같이 결과적으로, hot air temperature와 air flow speed의 여러 다른 組合들을 使用하여 동일한 heat transfer를 얻는 것이 가능하다. 
• 앞서 보여준 公式으로 콩들에게 傳達되는 kcal의 量을 計算할 수 있다.  
• 더 높은 hot air temperature는 특정한 heat transfer의 增加를 招來할 것이다.
• 이제, 우리가 이 높여진 air temperature를 維持한다면,
  그 公式은 처음과 동일한 heat transfer를 얻기 위한 정확한 air flow 減少를 보여줄 수 있을 것이다. 
• 사실, 콩에게 同一한 效果를 招來하는 hot air temperature와 air flow speed의 무수한 조합이 있다.

 

 

 

Roasting depends on bean temperature profile, air flow or heat transfer

 

• 化學은 우리에게 活性化 에너지의 槪念(concept of activation energy)을 가르쳐준다. 
• 그것은 어떠한 化學反應이 일어나는데 필요한 最小限의 에너지 量이다.
      (minimum energy amount required for any chemical reaction to happen)
• 각 타입의 化學變化는 그것의 活性化 에너지가 있다. [26]
• 그것은 원하는 要素들을 한데 넣는 것만으로는 充分하지 않다는 것을 의미한다: 
        우리는 올바른 量의 에너지(right amount of energy)를 더해야 한다. 
• 일단 活性化 에너지 레벨에 到達되면, 反應들이 進行되려면 維持되어야 한다. 
• 열역학은 우리에게 內部 에너지(internal energy)는 temperature와 pressure라는 두 가지 特性들이 있다고 한다 [27]. 
• 固體와 液體 要素들을 가지고 있는 커피 콩들에 대해,
  活性化 에너지는 주로 그 temperature에 依存한다는 것을 생각하면서,
  大略的인 計算을 매우 양호한 正確度로 할 수 있다.  
• 콩 內部에서 만들어지는 gases의 경우에, 內部 壓力과 溫度가 反應을 活性化시킬 에너지를 정할 것이다.
• 그럼에도 불구하고, 이 pressure는 콩의 構造와 그리고 더 빠른 roasts가 느린 roast 보다 더 높은 pressure를 形成하는 方式으로, 時間에 따른 溫度 變化의 函數이다. 
• 그러므로, 로스팅은 hot air temperature 보다는 커피콩 temperature profile [3], air flow, 또는 heat transfer에 依存한다. 
• 커피 溫度 프로파일들의 例示가 Figures 8.22 and 8.23에 나오는데,
  roasting time의 函數로서의 커피 콩의 temperature를 觀察할 수 있다. 

 

 

 

 

Roasting → coffee beans temperature profile with time → cuppings

 

• 정해진 원재료의 경우에 있어 커핑 결과들을 컨트롤하는 주요 파라미터는 最終 로스팅 컬러(final roasting color)이다.  
• 그러나, 콩 溫度 상승률(raising rate)도 커핑에도 영향을 미친다는 것을 의미하는 커피의 最終적인 화학적 조성(final chemical composition)을 컨트롤하는데 있어 매우 중요한 요소이다. 
• 따라서, 동일한 원재료, 동일한 最終 컬러까지 로스트된 커피에서 상이한 커피 콩 溫度-시간 프로파일을 사용하여 다양한 커핑들을 얻는 것이 가능하다.   

 

 

 

 

Controlling emission of roasting rejects.

 

• 커피 로스팅 프로세스는 Maillard reaction과 pyrolytic reaction 동안에 로스팅 챔버로 發生되는 많은 휘발성 물질들과 반-휘발성 성분들을 만들어낸다. [28] 
• 이런 물질들 중 대부분이 비독성이며(not toxic),
  그들 중 소수만이 잠재적 독성(potential toxicity)을 가지며,
  diacetyl과 polycyclic aromatic hydrocarbon 같이 매우 적은 수가 실제로 독성적(actually toxic)이다.  
• 그럼에도 불구하고, 이들 가스들은 대기중에 마음대로 방출될 수 없으며, 이 로스팅 불량물(rejects)의 제거가 United States [29]와 European countries [30,31] 같은 대부분의 국가들에서 환경 당국들에 의해 통제된다. 

 

After burner 

 

• 커피 로스팅 프로세스로부터 나오는 연기를 제거하는 최초의 가장 재래식 방법들 중 하나는 사후 열산화(post-thermal oxidation)에 의한 것이다. [28] 
• 이는 “after burner”라고 하는 장비에 의해 수행되는데, 이는 로스팅 배기 가스들(exhausting gases)을 대기중으로 방출하기 전에 배기가스를 연소 카메라(combustion camera)를 통과시켜 처리한다.
• 그들은 보통 Figure 8.19에 나온 바와 같이, 개방환기회로(open ventilation circuit)로 로스터들에 설치되며, 보통 굴뚝(chimney)에 장착된다. [28] 

 

Regulation for emission limits  

 

• After burner 내부에서는, 배출물(effluent)이 유기물의 열산화를 촉진하기에 충분히 높은 溫度에 도달하여, 가시적인 연기(visible smoke)를 투명하고 무취의 가스들(transparent and inodorous gases)로 변환해준다. 
• 이 가스들은 주로 이산화탄소 (carbon dioxide)와 수증기로 이뤄져 있지만, 약간의 일산화탄소(carbon monoxide), 산화질소 (nitrogen oxide), 이산화황 (sulfur dioxide), 그리고 기타 성분들도 발견될 수 있다. 
• 그리고 완전히 산화되지는 않은 미량의 유기물질들도 있을 것이다. [27] 
• 각 물질의 배출한계(emission limits)에 대한 규제는 그 나라의 법률에 따라 다르고, 그리고 같은 나라에서도 지역마다 다르기도 하다. [29,32]  

 

Built-in after burner  

 

• 전통적인 애프터 버너 기술의 한 변형이 빌트-인 애프터 버너(built-in after burner)인데,
  이는 로스팅 프로세스를 위한 열을 만들어내는 화로와 
          스모크 산화 챔버 화로를 같은 것으로 사용한다.  
• 이를 위해서는 Figures 8.24 and 8.25에 나온 바와 같이, 로스터는
     로스팅 사이클에서 나오는 가스의 100%가
     그 화로로 재순환되도록 하는 폐쇄 환기회로(closed ventilation circuit)를 가져야 한다. 
• 이 경우에, 배기 가스(exhaust gases)는 그 화로 다음에 설치된 굴뚝을 통해 장비에서 나간다. 

 

 

 

 

Air flow vented to environment → Closed ventilation circuit < open ventilation circuit

 

• 모든 air flow의 로스터 火爐로의 再循環(Figure 8.24 참조)은 에너지 消費의 觀点에서 볼 때 더욱 經濟的인 프로세스를 낳는다. 
• 開放換氣回路(open ventilation circuit) (Figure 8.19 참조)는 로스팅 프로세스로부터 나오는 모든 가스들을 大氣中으로 모두 排出하며, 煙氣 除去를 促進하기 위해 가스들을 加熱하는데 많은 量의 에너지가 消耗되어야 한다.   
• 閉鎖換氣시스템(closed ventilation system)은 
  火爐 內 燃燒를 위해 사용된 燃料와 空氣,
  커피 로스팅 프로세싱에 의해 만들어진 가스들, 그리고  
  로스터 안으로 導入되었을 수도 있는 어떠한 폴스에어(false air)
         (裝備 디자인의 副次的인 效果에 의해 誘發되는 원하지 않는 에어 플로우)와 같은
  시스템 流入 흐름과 等價의 質量(mass equivalent)만을 大氣中으로 내보낸다. 
• 이 가스의 量은 로스팅 챔버를 통과하는 total mass flow의 작은 부분에 불과하고, 따라서 環境으로 排出되는 에어 플로우는 훨씬 더 작다. 
• 결과적으로, 스모크를 酸化시키기 위해 이 가스들을 加熱하는데 필요한 에너지도 開放換氣回路에 비해 작다.  

 

 

 

 

Catalytic reactor

 

• 세번째 잘 알려진 스모크 酸化 技術은  觸媒反應이기(catalytic reactor)이다. [28]
• 이 시스템은 after burner처럼 有機物質을 酸化하기 위해 排出物의 溫度를 높이는 燃燒室(combustion chamber)로 이뤄져 있다. 
• 그러나, 촉매의 사용이 스모크 除法에 필요한 溫度를 낮출 수 있다. 
• 이는 더 낮은 溫度의 排出物을 招來하고, 따라서 에너지 節減으로 誘導하지만, 經濟的 觀点에서 볼 때, 制限된 壽命을 가지고 때때로 交替되어야 하는 觸媒 要素들의 費用도 計算되어야 한다.   

 

Chaff → particulate matter carried by the air flow

 

• 로스팅 중에 만들어진 氣體 狀態의 汚染物質들 이외에,
  에어 플로우에 의해 運搬되는 浮遊物質(particulate matter)도 있다. 
• 이 입자들 대부분이, 로스트를 따라 發散되는 체프(chaff)에서 나오는데,
  체프는 본래 生豆 構造에 속하는 가장 바깥의 층인 실버스킨이다.  
• 熱變換의 결과로, 이 스킨들은 콩들로부터 떨어져 나와 가벼운 密度 탓에 로스팅 에어 플로우에 의해 쉽게 移動된다.  
  
  

Cyclone (cyclonic separator)

 

• 大氣로의 換氣 前 에어 淨化를 위해 가장 보편적으로 사용되는 器機는
     사이클론 分離器(cyclonic separator)이다. 
• 굴뚝 바로 아래 위치한 사이클론(cyclone)이 Figure 8.19에서 觀察될 수 있다. 
• Figure 8.26에서 보듯이, 그것은 에어 플로우를 圓形으로 움직이게 하여 입자들을 사이클론 벽으로 미는 遠心力을 만들어낸다. 
• 일단, 에어 스피드가 더 낮은 에리어인 壁에 닿으면, 그 粒子物質들은 重力에 의해 사이클론 바닥으로 떨어진다. 
• 사이클론의 集塵效率性은 전형적으로 粒子들의 크기와 그 디자인에 따라 96%에서 99% 정도이다. [33]

 

 

 

Research on new and better emission control technology is necessary.   

 

• 앞서 설명된 技術들은 排他的인 것이 아니지만, 그들은 가장 많이 사용되고 전세계 커피 로스터들에게 있어 排出가스 規制에 注意하는데 效果的이다. 
• 그럼에도 불구하고 溜出物 規制의 트렌드는 産業들의 數가 成長함에 따라 汚染物質들의 減縮을 겨냥하는 排出限界(emission limits)의 減縮을 强要하는 것이다. 
• 결과적으로, 排出가스 컨트롤을 改善하기 위한 새롭고 더 나은 테크놀로지에 대한 硏究가 必要하다.   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- The end -