식음료 제조의 보이지 않는 경쟁력: 설계 단계에서 시작된다
식품 가공 산업은 거대한 글로벌 시장이며, 생산라인을 따라 식품이 이동하는 동안 각각의 공정을 수행하는 다양한 기계 장비의 연속적 작동에 의존합니다.
커피 원두, 분유, 껌 등 어떤 제품이든, 오늘날 식품 가공 라인을 설계하는 엔지니어들은 상승하는 원자재 비용과 불안정한 공급 상황, 자동화·디지털화의 확대, 전문 인력 부족, 복잡해지는 식품 안전 규제 및 표준, 지속가능성 요구 등 복합적인 도전에 직면하고 있습니다. 이 모든 문제를 해결하면서 생산 효율성과 수익성까지 높여야 합니다.
알테어는 시뮬레이션, 고성능 컴퓨팅(HPC), 데이터 분석 기술을 융합한 역량을 기반으로 다양한 산업에서 경쟁력을 유지하려는 기업들의 파트너가 되어왔습니다. 이러한 통합적 접근이 식음료 분야의 기계 설계 단계에서 엔지니어를 어떻게 지원할 수 있는지 소개합니다.
설계 시 고려해야 할 사항은 무엇인가?
- 무엇보다 중요한 것은 안전한 제품 생산
- 생산 속도 및 처리량 유지
- 일관된 품질 유지
- 식품 특성에 맞는 적절한 처리 방식
출고 제품이 소비자가 섭취해도 안전해야 하므로, 오염을 방지하고 문제 해결을 위한 다운타임을 최소화해야 합니다. 이를 위해서는 위생(위생 설계)과 세척 용이성 기준을 철저히 준수해야 합니다. 하지만 규제가 점점 복잡해지면서 개발 기간이 길어지고, 이는 곧 비용 증가로 이어집니다.
적절한 시점에 정확한 양의 제품을 생산하기 위해서는 견고하면서도 유연한 설비 설계가 필수적입니다.
배치(batch) 간 차이 없이, 또는 연속 공정에서 균일하고 에너지 효율적인 온도·유동 프로파일을 유지하려면 식품이 가공 단계별로 어떻게 변화하는지 이해해야 합니다.
식품은 공정 흐름에 따라 고유한 물성·유동·취급 특성이 다릅니다. 오늘날 대부분의 단계가 자동화·컴퓨터 제어되고 있으며, 각 공정 간 통합은 품질과 처리량을 유지하는 데 필수적입니다.
디지털화의 부상
전통적으로 문제 예측 및 해결은 물리적 테스트, 기계 시제품 제작, 그리고 시간이 많이 소요되는 현장 커미셔닝(commissioning)에 의존해 왔습니다. 작은 문제라도 발견되면 곧바로 비용이 증가하는 구조였습니다.
그러나 CAE 기술의 비약적 발전과 시뮬레이션 도구의 통합·고도화는 테스트와 시제품 제작에 대한 의존도를 크게 낮추는 시뮬레이션 기반 설계 시대를 열었습니다.
좋은 설계란, 식품이 공정 라인의 모든 단계에서 문제 없이 처리되고, 최종적으로 포장 형태로 공장을 떠나는 순간까지 흐름이 끊기지 않는 설계를 의미합니다.
이를 위해서는 식품이 공정을 따라 이동하면서 어떻게 거동하는지 정확히 이해하는 것이 중요합니다. 이 역할을 하는 기술이 바로 이산요소법(DEM, Discrete Element Method)입니다.
DEM은 엔지니어가 제조 장비 성능을 가상으로 확인하고, 설비 내에서 다음과 같은 잠재적 문제를 미리 파악하도록 돕습니다:
- 눌린 과일
- 부서진 과자
- 관(튜브) 내부의 막힘
- 분말의 뭉침
- 양념 블렌드의 불균일
- 코팅의 불균일
- 충전량 편차 등
이러한 문제를 사전에 예측함으로써, 엔지니어는 공장 설치 이후 뒤늦게 수정하는 대신 초기에 설계 단계에서 문제를 해결할 수 있습니다.
또한 디지털 트윈 기술의 등장으로, 전체 기계 설계를 가상 환경에서 시각화·탐색·최적화하고, 제조 전에 문제를 해결할 수 있게 되었습니다. 산업 디지털화는 센서 네트워크를 통해 공정을 실시간으로 모니터링·제어하고, AI 기반 분석을 통해 즉각적인 조정뿐 아니라 차세대 설계 개선을 위한 데이터 자산 확보까지 가능하게 합니다.
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