본문 바로가기

커피리브레

장바구니

아카이브

ARCHIVE

아카이브

제목
레포트 | 초임계 이산화탄소를 사용한 카페인 추출시의 LCA 평가
날짜
2018-05-02 14:54:54
조회
434

본문

초임계 이산화탄소를 사용한 카페인 추출시의 LCA 평가

원제 : Life cycle assessment of supercritical CO2 extraction of caffeine from coffee beans

 

저자 : Iolanda De Marco, Stefano Riemma, Raffaele Iannone

 

요약 :

  연구진은 전 과정 평가법(LCA)을 적용하여, 초임계 이산화탄소를 사용하여 커피로부터 카페인을 추출하는 경우의 환경에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 연구진은 카페인 커피와 디카페인 커피의 두 대상 품목에 대해 이 방식을 적용하였다. 아라비카/로부스타 6/4 비율의 블렌드 디카페인 커피 1kg 에서 공기, , 흙으로 방출되는 모든 물질에 대해 보고하였다. 분석 결과, 본 연구 대상의 환경 분류에서 가장 많이 영향을 미치는 단계는 농업, 교통, 카페인 추출로 나타났다. 그러므로 공정 최적화로서 비료 사용량 감소, 광전지판에서 전기를 생산하는 방식으로의 전기 대체를 고려할 수 있다. 이러한 개선 시나리오를 적용했을 때, 사람의 건강 면에서 176%, 생태계 다양성 면에서 10.3%, 자원 면에서 16.1% 에 달하는 환경 영향 감소를 이룰 수 있다.

 

주요 내용 :

 - 생산에서부터 디카페인 공정에 이르기까지의 처리과정과 가정 :

과정

아라비카

로부스타

농업

에너지,

질소, 비료 공급

제초제, 살충제 공급

디젤, 연료 공급

에너지,

질소, 비료 공급

제초제, 살충제 공급

디젤, 연료 공급

 농업단계에서 에너지 공급

브라질 에너지 믹스, 저압

베트남 에너지 믹스, 저압

공장까지의 커피콩 이동

브라질에서부터 제노아까지, 40톤 기준

트럭 수송 (650km), 탱커 수송(9100km)

베트남에서 트리에스테까지, 40톤 기준

트럭 수송(800km), 탱커 수송(13600km)

  공장에서의 에너지 공급

이탈리아 에너지 믹스, 중압

이탈리아 에너지 믹스, 중압

  커피콩 스티밍

90, 5시간

물과 연료 공급

90, 5시간

물과 연료 공급

  가압

0.25시간

이산화탄소, 에너지, , 연료 공급

0.25시간

이산화탄소, 에너지, , 연료 공급

  디카페인 공정 환경

90, 25기압, 0.25시간

이산화탄소, 에너지, , 연료 공급

90, 25기압, 0.25시간

이산화탄소, 에너지, , 연료 공급

  압력 풀어주기, 카페인 회수

25, 0.1기압, 1시간

, 에너지, 연료 공급

25, 0.1기압, 1시간

, 에너지, 연료 공급

 

- 주요 디카페인 방식 :

 용제에 따라서 유기용제(염화메틸렌, 에틸 아세테이트) 사용 방식과 비 유기용제(, 초임계 이산화탄소) 사용 방식으로 나뉨. 네 가지 방식 모두 생두 상태에서 카페인을 제거함.

 1970년대까지는 처리 효율이 좋은 염화메틸렌이 최적 용제로 생각되어 왔으나, 용제 독성으로 인한 유해성 위험이 제기됨. FDA 연구에서는 잔존 염화메틸렌 함량은 10ppm 미만으로 나타났으나 발암성 의혹이 가시지 않으면서 자연 생성 물질이기도 한 에틸 아세테이트로 대체되어 갔음

 에틸 아세테이트는 발연성이 높아 처리비용이 상승한다는 점 과일향이 있어 커피 향미에 영향을 준다는 점이 주된 단점으로 지적됨.

 물을 사용한 디카페인 공정은 스위스에서 개발되었으며 유해성이 없는 공정이 가능하지만, 용매로서 물은 비특이적이므로 카페인의 선택 제거가 어려움며 이로 인해 향미 손실이 많은 편.

 초임계 이산화탄소 공정은 카페인과 비 향미 요소를 선택적으로 제거하는 능력이 좋으며 1970년대 이후 카페인 회수와 디카페인 상세 및 디카페인 커피 생산에 관해 언급한 Zosel 의 특허를 기반으로 산업 규모로 적용됨. 초임계 이산화탄소 공정은 유해성이 없다고 간주되며, 이 때문에 환경 배출 물질 연구가 필요한 편임.

 

- 초임계 이산화탄소 공정과 투입 에너지 :

 기본 단계 : 재배와 수확 - 탱커와 트럭 수송으로 이탈리아 소재(연구진이 조사한 곳) 공장까지 이동 - '스티밍 - 초임계 추출 - 카페인 회수' 3단계를 거쳐 생산.

  - 스티밍에서는 수분 함유량을 30% 까지 올림. 이 경우 커피콩은 부풀어 올라 9톤의 커피콩이 부피는 22m3이 됨

  - 초임계 추출에서는 이산화탄소를 25기압, 90도의 온도로 커피에 적용 (아라비카 11.5시간, 로부스타 22시간) 목표 추출 수율은 97%

  - 카페인 회수에서는 이산화탄소+카페인 혼합물이 초임계 상태에서 물 층을 통과함. 목표 추출 수율은 99.5%

 

 c11a3e6c6d5b85aab24909770277de44_1525240469_3683.png
c11a3e6c6d5b85aab24909770277de44_1525240461_9314.png

 

- 디카페인 커피 제조와 카페인 추출에서의 주요 투입/배출 물질의 전 과정 평가  :

  기준 : 디카페인 커피 1kg 생산 (아라비카 600g, 로부스타 400g) + 카페인 11.4g 생산

항목

투입/배출

수치

농업

살충제

질소

오산화인

산화칼륨

제초제

디젤

0.00585kg

0.104kg

0.0629kg

0.0657kg

0.000636kg

0.106kg

수송

생두

트럭 수송

탱커 수송

0.877kg

0.624tkm

9.58tkm

스티밍

커피콩

메탄

0.869kg

0.165kg

0.00207

초임계 추출

커피콩

이산화탄소

메탄

전기

   디카페인 커피 배출

1.03kg

1.24kg

2.79m3

5.24MJ

1.00kg

세척

카페인

이산화탄소

전기

   이산화탄소 배출

0.0128kg

0.743kg

1.12kg

0.0000759MJ

0.686kg

기체 방출

카페인

이산화탄소

전기

   이산화탄소 배출

0.0127kg

0.0579kg

1.12kg

0.00000807MJ

0.0579

증발

카페인

연료

   물 배출

0.0127kg

1.19kg

0.0211kg

1.12kg

결정화

카페인

전기

   카페인 배출

0.0127kg

0.072kg

0.0118kg

0.0114kg

 

- 디카페인 공정에서의 환경 영향 평가(중심점) 및 개선 잠재력

  - 오존 고갈과 자연 지대 변화는 주로 농업에서의 디젤유 사용 및 질소 비료 사용 때문임

  - 토양 산성화, 물 고갈, 자연자원 고갈은 주로 질소 비료 사용 때문임

  - 바다 부영양화와 토양 생태계 독성은 질소 비료와 칼륨 비료 때문임

 

항목

개선 전

개선 후

비교

기후 변화 (이산화탄소 상당 kg) - CC

3.29

2.66

-19%

오존 고갈 (CFC-11 상당 kg) - OD

 CFC - 클로로플루오로카본

0.000000682

0.000000619

-9.3%

토양 산성화 (이산화황 상당 kg) - TA

0.0182

0.0155

-15.1%

물 부영양화 (인 상당 kg) - FE

0.000727

0.000625

-14.1%

바다 부영양화 (질소 상당 kg) - ME

0.0768

0.0607

-21.0%

인간에 대한 독성 (1,4DGB 상당 kg) - HT

 1,4DGB - 1,4 디클로로벤젠

0.869

0767

-11.8%

광화학적 산화 (NMVOC kg) -POF

 NMVOC - 비메탄계 휘발성 유기탄소 화합물

0.0122

0.0108

-11.9%

미세 입자 발생 (PM10상당 kg) - PMF

0.00595

0.00511

-14.2%

토양 생태계 독성 (1,4DGB 상당 kg) - TET

0.00154

0.00139

-9.5%

물 생태계 독성 (1,4DGB 상당 kg) - FET

0.0545

0.0454

-16.6%

바다 생태계 독성 (1,4DGB 상당 kg) - MET

0.0492

0.0413

-16.0%

이온 방사 (우라늄235 상당 kBq) - IR

0.392

0.315

-19.7%

농업용 토지 점유 (m2 x ) - ALO

2.33

2.29

-1.5%

도시 용지 점유 (m2 x ) - ULO

0.0400

0.0352

-11.9%

자연 지대 변화 (m2) - NLT

0.000647

0.000548

-15.3%

물 고갈 (m3) - WD

0.0367

0.0311

-15.3%

광물질 자원 고갈 (철 상당 kg) - MRD

0.187

0.165

-12.2%

연료 고갈 (기름 상당 kg) - FD

0.886

0.735

-17.0%

 

 c11a3e6c6d5b85aab24909770277de44_1525240490_609.png 

 

 

인용 (MLA) :

 De Marco, Iolanda, Stefano Riemma, and Raffaele Iannone. "Life cycle assessment of supercritical CO 2 extraction of caffeine from coffee beans." The Journal of Supercritical Fluids 133 (2018): 393-400.

댓글 0

등록된 댓글이 없습니다.