커피 컬럼 정보

에스프레소 머신의 모터펌프 압력이 추출 결과물에 미치는 영향

2020-09-08


외부 기고자 (주)빈브라더스
원문출처 https://blog.naver.com/beanbrothers/221522654404


에스프레소 머신의 모터펌프 압력이 추출 결과물에 미치는 영향

by Bean brothers 



1. 서론


현재 에스프레소 추출에 있어 가장 적합한 압력은 통상 9bar 라고 알려져 있다. 이에 대한 근거는 여러가지가 있지만, 실제로 논문을 확인해 보면, 큰 차이가 없어 보인다. 또한, 논문에서 다루는 압력은 7, 9, 11bar 로 3가지 압력에 대한 결과만 있으며, 더 세부적으로 압력을 나누어 진행한 실험은 없었다.

이번 실험에서는 에스프레소 추출에서 가장 적합한 압력은 몇 bar 인가에 대해 논의해 볼 것이다. 여기에서 적합한 압력이란, 완성된 음료의 TDS가 높고, 맛과 향의 강도가 가장 강한 커피를 제조할 수 있는 압력을 의미한다.

이 외에도 압력의 변화로 추출시간이 어떻게 달라지는지, 에스프레소 추출양에 변화가 있는지, 완성된 음료의 맛과 향에서 유의미한 차이를 느낄 수 있는지를 확인해 볼 것이다.



1.1. 압력

추출에서의 압력은 독립적이지 않다. 추출 압력은 펌프가 물을 밀어내는 힘 (정확하게는 유량 및 유속) 과 물의 흐름을 방해하는 커피퍽의 저항에 의해 결정되는 값이다. 펌프가 물을 밀어내는 힘이 강해지면 추출 압력은 올라간다. 마찬가지로 물의 흐름을 방해하는 커피퍽의 저항이 올라가면 추출 압력이 올라가게 된다. 아래 식은 포터필터 필터바스켓의 헤드스페이스에서의 수압을 계산하는 식이다. [1] (베르누이의 정리


Pe=Pr+Pc+Pa


Pe = Driving pressure (헤드스페이스에서의 수압)

Pr = k·(l/d)·(ρv2/2) = Pressure drop from bed resistance (커피퍽의 저항으로 인한 압력 손실값)

Pc = ρv2/2 = Kinetic pressure drop (동압)

Pa = Atmospheric pressure (기압(정압))



위 식을 보면, 헤드스페이스의 압력을 만드는 것은 유속에 의해 생성된 압력인 동압과 커피퍽으로 인한 저항, 대기압 총 세가지의 합이라는 것을 알 수 있다. 여기에서 k는 압력 손실 계수, l은 커피퍽의 높이, d는 커피퍽의 공극 부피, ρ는 유체의 밀도, v는 유체의 속도를 나타낸다.


커피퍽의 저항은 커피퍽의 구조와 큰 연관이 있다. 커피퍽의 구조는 분쇄된 원두의 평균 입자 크기와 입도 분포 (평균 입자 크기가 같더라도 입도 분포가 달라질 수 있다.), 그리고 필터바스켓 내부에 입자가 어떻게 분포되어 있는지에 영향을 받는다. 즉, 추출 압력의 형성에서 펌프에서 생성된 압력도 중요하지만, 분쇄된 원두 또한 굉장히 중요한 요소이다. 


실제로 그룹헤드의 압력을 측정하는 슬레이어 머신을 이용하여 추출할 경우 펌프 압력이 같음에도 그라인더 분쇄도에 따라 압력게이지가 달라지는 것을 볼 수 있다.


그렇기 때문에 항상 같은 추출 압력을 유지하기 위해선 일관된 커피퍽의 구조를 만들 수 있어야 하며, 우리는 이를 추출 시간을 통해 간접적으로 유지하고 있다.



1.2. 추출 압력의 측정

에스프레소 머신에서의 추출 압력은 어디에서 어떤 방식으로 측정하는지에 따라 다르게 측정된다. 펌프에서 생성된 압력은 관을 지나면서 손실이 생기게 되는데, 이 압력 손실은 관의 길이, 관의 마찰, 관의 높이 변화, 관의 지름 변화, 관의 꺾임, 관의 이음 부분 등에 의해 영향을 받는다. 



다시 말해, 펌프에서 생성된 압력은 압력 측정기까지 도달하는데 지나는 관의 상태에 따라 달라진다. 우리가 사용하는 에스프레소 머신의 경우 압력 측정 위치는 제조사마다 에스프레소 머신마다 전부 다르다. 그러므로, 에스프레소 머신의 추출 압력을 이야기할 때엔 압력을 어떤 방식으로 측정했는지에 대해 알고 있어야 한다. 빈브라더스의 경우 Espresso Parts사의 SCACE2 장비를 이용하여 유속이 3.68g/s 일 때의 압력을 기준으로 측정을 한다.



1.3. 에스프레소 머신을 이용한 추출에서 압력의 역할

에스프레소 머신의 경우 모터 펌프를 이용하여 추출을 진행하기 때문에 다른 추출에 비해 굉장히 높은 압력을 구현할 수 있다. 이로 인해 에스프레소 머신의 경우 상대적으로 더 작은 입자를 쓰더라도 물을 투과시킬 수 있게 된다. (푸어오버 평균 입자 크기: 650~750㎛, 에스프레소 평균 입자 크기: 350~400㎛ ) 분쇄된 원두의 평균 입자 크기가 작아졌다는 것은 표면적이 더 커졌다는 것을 의미하고 이는 더 효율적으로 커피 성분을 추출해 낼 수 있음을 의미한다. [2]






1.4. 압력의 변화가 추출 결과물에 미치는 영향

추출 압력은 에스프레소의 향미 성분 추출에 큰 영향을 미친다고 알려져 있다. 아래 내용은 2002년 발표된 논문 내용이다. [3]



pH: 산성도

density: 밀도

viscosity: 점성

surface tension: 표면장력

foam index: 크레마 두께 (백분율)

persistence of foam: 크레마 유지 시간

total solids: 총 고형 성분양

extraction: 추출수율

concentration: 농도

total solids on filtrate: 추출액 내부 총 고형 성분양

total lipids: 총 지질 양

caffeine: 카페인 양

trigonelline: 트리고넬린 양

chlorogenics acids: 클로로겐산 양




위 결과를 보면, 

추출액 내부 총 고형 성분양'의 경우 7atm은 36.34, 9atm은 37.4, 11atm은 35.43으로 9atm에서 가장 높게 측정되었다. (7atm = 7bar)

지질의 양을 보면, 7atm은 4.74, 9atm은 5.15, 11atm은 5.09로 9atm이 가장 높았고, 카페인과 트리고넬린의 양은 7atm이, 클로로겐산의 양은 9atm이 가장 높았다. 이 세가지 성분은 쓴맛과 큰 연관이 있는 성분이다. [4]




KI: kovats index. 크로마토그래피를 이용하여 성분을 측정했을 때의 위치. 코바츠 지표.

methanethiol: 메탄에티올. 향: 유황, 양배추, 가스. 

acetaldehyde: 아세트알데히드. 향: 프루티, 날카로운(pungent) 

propanal: 프로판알, 프로피온알데히드. 

2-methylpropanal: 2-메틸프로판알 

2-methylbutanal: 2-메틸부탄알

3-methylbutanal: 3-메틸부탄알. 류신(leucine)의 열분해 생성 물질. 향: 몰트, 과일향(10ppm 이하로 아주 적은 양을 희석할 경우) 

2,3-butanedione: 2,3-부탄디온. 향: 버터리 

2,3-pentanedione: 2,3-펜탄디온. 향: 버터리 

hexanal: 헥산알. 헥스알데히드

ethylpyrazine: 에틸피라진

2-ethyl-6-methylpyrazine: 2-에틸-6-메틸피라진

2-ethyl-3,5-dimethylpyrazine: 2-에틸-3,5-디메틸피라진. 향: earthy, 구운향

guaiacol (2-methyloxyphenol): 과이아콜. 식물 세포벽에 존재하는 페룰산이 열분해 하여 생성. 과다 추출에서 나타나는 불쾌한 맛의 원인 중 하나. 향: 스모키, 탄내, 클로버, 스파이시, medicinal. 과다 추출을 확인하는 지표로 사용 가능하다.[5] 



위 표는 가스 크로마토그래피 질량분석법을 이용하여 각 압력으로 추출된 에스프레소의 휘발성 성분을 측정한 표이다. 측정된 성분 중 밝혀진 향 성분은 함께 적어두었다. [6][7] 표를 보면, 압력이 높아진다고 해서 모든 휘발성 물질의 양이 늘어나는 것이 아님을 알 수 있다.


아래는 2016년 발표된 논문 중 압력에 관한 내용이다. [8]






이 논문에서는 측정된 휘발성 유기 화합물 중 46가지에 대해 분석하였으며, 46가지 휘발성 유기 화합물 중 동적 거동이 비슷한 화합물을 Family A 부터 Family E까지 나누어 비교 분석하였다.


위 결과를 토대로 family A와 B, C에 속한 성분은 압력에 큰 영향을 미치지 않았으며, D와 E에서 유의미한 차이가 생겼다고 이야기 한다. 하지만, 11bar의 경우 모든 상황에서 항상 더 높은 성분이 측정되었다고 이야기한다.



2. 재료 및 방법


2.1. 재료

생두는 브라질의 미나스 제라이스 지역의 농장 상 주앙(São João)에서 내추럴 가공된 레드 카투아이 품종을 사용했다. 로스팅은 로링 KESTREL 35kg 모델을 이용하여 진행하였으며, 내부 온도 201.2에 생두를 투입하여, 8분 48초간 로스팅을 진행하였으며, 내부 온도 213.9에 배출하였다. (밀도: 0.427g/㎤ (Bean Pro, Sinnar), 색도: 홀빈 61.3, 분쇄 59.27 (Benchtop, Colortrack))



그림.1. 로스팅 프로파일



2.2. 압력 측정

압력은 Espresso parts사의 SCACE2 모델을 이용하여 유속 3.68g/s 일 때 측정된 압력을 기준으로 조절하였다. SCACE2에서 측정된 압력값과 함께 에스프레소 머신에 장착된 압력게이지에서 측정된 압력값도 수집하였다.


그림.2. Espresso Parts 사의 SCACE2 모델.



2.3. 시료 준비

준비된 원두를 compak k10 professional barista 모델을 이용하여 20.0g 분쇄했다. 원두의 분쇄 입자 크기는 추출 시간이 36초로 추출될 수 있도록 조절하였다.


분쇄된 원두는 VST inc.의 20g Ridged 필터바스켓에 담아 lamarzocco의 GB5 모델을 이용하여 70ml의 물을 투입하여 추출하였다. 이후 추출된 추출액을 270.0g의 상온수에 넣어 음료를 제조했다.


음료는 에스프레소 머신의 펌프 압력을 4.5bar, 5.5bar, 6.5bar. 7.5bar, 8.5bar, 9.5bar, 10.5bar, 11.5bar, 12.5bar, 13.5bar 로 조절하면서 각 펌프 압력 마다 5잔의 음료를 준비했다.



2.4. TDS 측정

준비된 시료의 TDS 측정은 VST inc. 의 Coffee Refractometer를 사용하였다. 측정 TDS는 커피퍽이 머금고 있는 추출수의 양은 일정하다는 가정하에 절댓값이 아닌 비교를 위한 상대적인 값으로 측정하였다. 


측정을 하기 전, 정제수를 이용하여 측정기의 영점을 잡았으며, 시료와 측정장비의 온도가 같아질 수 있도록 장비와 시료를 같은 장소에 30분 이상 두었다. 시료를 측정하기 전에는 매 측정마다 알콜스왑을 이용하여 렌즈를 한번 닦아내고, 유한킴벌리의 킴테크 사이언스 와이퍼를 이용하여 렌즈 위 먼지를 제거하였다.


시료 채취는 일회용 스포이드를 이용하여 시료를 완전히 섞어준 후 표면으로 부터 스포이드를 약 4cm 아래까지 넣은 후 채취하였다. 이 후 측정기에 크레마가 들어가지 않도록 스포이드에 묻어있는 크레마를 닦아낸 후 측정기에 시료를 약 1g 넣어 측정하였다. 측정은 시료당 5번씩 측정하였으며, 한번 사용한 일회용 스포이드는 재사용하지 않았다.



2.5. 관능평가

맛과 향의 강도를 측정하기 위해 제임스와 케이브, 포니, 리버가 도움을 주었다. 

관능평가는 추출 압력마다 추출된 5잔의 시료 중 임의로 2개의 시료를 고른 후 테이스팅하는 시료가 어떤 시료인지 알 수 없도록 두 번 섞어 블라인드 테이스팅을 진행하였다. 



3. 결과

표 1. 펌프 압력에 따른 분쇄도, 첫방울시간, 총추출시간, 추출양, TDS의 평균값.


3.1. 추출수 유속

그림 3. 펌프 압력에 따른 추출수 유속 변화


추출수 유속 측정은 그룹헤드에 포터필터를 체결하지 않은 상태에서 추출수만 흘렸을 때의 유속을 측정한 값이다. 그림 3을 보면 펌프 압력이 증가함에 따라 비례적으로 유속이 증가하는 모습을 보인다.


이는 상업용 에스프레소 머신에서 주로 사용하는 로터리 베인 모터펌프에서의 압력 조절 방식에 의한 것으로 볼 수 있다.



3.2. 추출시간

그림 4. 펌프 압력에 따른 분쇄도 변화



그림 5. 펌프 압력에 따른 첫방울 시간 변화



그림 4는 에스프레소 머신에서 같은 양의 물을 투입했을 때 추출시간이 35~38초로 추출되도록 그라인더의 분쇄도를 조절했을 때의 분쇄도 값이다. 분쇄도 값은 그라인더의 분쇄 조절판 위에 표시된 값을 기준으로 표시했다.


4.5bar에서 6.5bar 까지는 펌프 압력이 상승함에 따라 분쇄도 값도 그에 비례하여 가늘어지는 결과를 확인할 수 있다. 하지만, 6.5bar 부터 12.5bar 까지는 펌프 압력이 증가함에도 불구하고 분쇄도 값이 변하지 않는 모습을 볼 수 있다. 이후 13.5bar에서 분쇄도가 다시 굵어지는 결과를 확인할 수 있다. 분쇄도가 가늘어졌다는 것은 전보다 추출시간이 짧아졌음을 뜻한다. 반대로 분쇄도가 굵어졌다는 것은 전보다 추출시간이 길어졌음을 뜻한다. 즉, 4.5bar 부터 6.5bar 까지는 펌프 압력이 상승함에 따라 추출 시간이 짧아졌음을 확인할 수 있으며, 6.5bat 부터 12.5bar 까지는 펌프 압력 변화가 추출 시간에 큰 영향을 미치지 않음을 알 수 있고, 13.5bar 부터는 오히려 압력이 올라감에 따라 추출 시간이 더 길어짐을 알 수 있다. 또한, 펌프 압력이 상승함에 따라 비례적으로 유속이 증가하는 것을 볼 수 있는데, 6.5bar 부터 12.5bar 까지는 유속이 빨라짐에도 불구하고 추출시간에 큰 영향을 미치지 않는 모습을 보인다. 이는 6.5bar 부터 12.5bar 까지에서도 펌프 압력 상승에 따라 미세하게 압력 강하가 있음을 뜻 하지만 결과적으로 유의미한 차이를 만들어 내지는 않았다.


즉, 유의미한 압력 강하는 12.5bar에서 13.5bar 사이부터 생긴다고 할 수 있다. 


그림.4는 펌프 압력에 따라 첫방울 시간이 어떻게 달라지는지를 보여준다. 4.5bar에서 7.5bar 까지는 펌프 압력에 따라 첫방울 시간이 점점 길어지는 모습을 보인다. 이후 7.5bar 부터는 첫방울 시간은 압력에 큰 영향을 받지 않는 것으로 보인다.



3.2. 추출양

그림 6. 펌프 압력에 따른 추출양의 변화



추출양은 원두 20.0g을 담고, 에스프레소 머신에서 70g의 물을 투입했을 때 추출된 에스프레소의 양을 저울을 이용하여 무게로 측정한 값이다. 


그림 6을 보면, 4.5bar, 5.5bar 일 때 추출양이 39.2g으로 가장 많고, 13.5bar 일 때 추출양이 36.98g으로 가장 적게 측정되었다. 또한, 4.5bar 부터 13.5bar까지 펌프 압력이 상승함에 따라 추출양이 줄어드는 모습을 보이지만, 9.5bar와 12.5bar에서 다시 추출양이 많아지는 결과를 볼 수 있었다.



3.3. TDS

그림 7. 펌프 압력에 따른 시료의 TDS 측정값



그림 8. 펌프 압력에 따른 시료의 TDS 측정값을 에스프레소 추출양이 모두 38g으로 추출되었다고 가정한 후 보정한 TDS 값. (TDS 보정값 = TDS/추출양x38)



그림 7을 보면, 펌프 압력에 따른 TDS의 변화가 유의미한 차이를 보이지 않는다. 하지만, 시료의 TDS 값은 에스프레소 추출양과 큰 상관관계가 있는데, 시료마다 투입된 에스프레소의 추출양이 모두 다른 문제점이 있다. 이를 보정하기 위해 추출시간에 따른 에스프레소의 TDS 변화가 직선이라 가정한 후 39g 일 때 TDS 값으로 변환하여 비교해 보았다. (그림 8)


그림 8을 보면, 압력에 따른 TDS 값은 4.5bar에서 가장 낮은 1.3431%, 13.5bar에서 가장 높은 1.4309% 값을 보였다. 또한, 4.5bar 부터 8.5bar까지 압력이 상승함에 따라 TDS 값도 증가하는 모습을 보이다가 8.5bar 부터 다시 TDS가 떨어지는 모습을 보인다. 이 후 13.5bar에서 급격히 TDS가 증가하는 모습을 보인다. 즉, TDS 측정값만을 두고 생각한다면, 현실적으로 가능한 압력 중 TDS 측정값이 가장 높게 측정되는 압력은 8.5bar라고 할 수 있다.


3.4. 관능평가

블라인드 테이스팅은 제임스, 케이브, 리버, 포니, 어스 총 5명이 진행하였다. 블라인드 테이스팅을 진행하면서, 모두의 공통 의견은 "맛과 향을 구분할 수 있을 정도의 큰 차이는 없었다." 였다. 



4. 요약

4.5bar 부터 6.5bar 까지는 펌프 압력에 따라 추출시간이 짧아졌다. 하지만, 6.5bar 부터 12.5bar 까지는 추출 시간에 큰 변화가 없었고, 13.5bar 부터 추출 시간이 급격히 길어졌다. 이를 통해 압력 강하는 12.5bar에서 13.5bar 사이부터 시작됨을 알 수 있다.


추출양은 펌프 압력이 상승함에 따라 줄어들지만, 9.5bar 와 12.5bar에서 다시 추출양이 늘어나는 모습을 보인다.


시료의 TDS 측정값은 추출양이 보정된 TDS 측정값으로 비교해 보았을 경우 13.5bar 가 1.4309%로 가장 높았지만, 현실적으로 가능한 압력 범위에서 가장 높은 TDS 값이 측정된 펌프 압력은 8.5bar였다.


마지막으로 블라인드 테이스팅을 통해 펌프 압력에 따른 맛과 향의 차이는 사람이 구별할 수 없는 차이라는 결론을 얻었다.




5. 참고문헌

[1] Bullo T. and Illy, E. (1963) Considerations sur le procede d’extraction. Cafe Cacao The 7 (4), 395-399

[2] Severini, C., Ricci, I., Marone, M., Derossi, A., De Pilli, T., 2015. Changes in the aromatic profile of espresso coffee as a function of the grinding grade and extraction time : a study by the electronic nose system. Journal of Agriculture and Food Chemistry 63, 2321-2327.

[3] Andueza, S et al., 2002. Influence of water pressure on the final quality of Arabica espresso coffee. Application of multivariate analysis. Journal of Agriculture and Food Chemistry 50, 7426-7431. 

[4] Frederic, M., Arne, G., Peter, G., 음료-훌륭한 커피를 만들기 위한 추출. p. 471. 스페셜티 커피 ed. Britta Folmer. Elsevier Academic Press, London, UK. 2017.

[5] Lee, J,-S., Kim, M.-S., Shin, H.-J., Park, K.-H., 2011. Analysis of off-flavor compounds from over-extracted coffee. Korean Journal of Food Science and Texhnology 43 (3), 348-360.

[6] Blank, I., Sen, A., Grosch, W., 1992. Potent odorants of the roasted powder and brew of Arabica coffee. Zeitschrift fur Lebensmittel-Untersuchung und Forschung 195, 139-145.

[7] Semmelroch, P., Grosch, W., 1995. Analysis of roasted coffee powders and brews by has chromatography-olfactometry of headspace samples. LWT-Food Science and Technology 28, 310-313.

[8] Sanchez-Lopez, J.A., Wellinger, M., Gloess, A.N., Zimmermann, R., Teretzian, C., 2016. Extraction kinetics of coffee aroma compounds using a semi-automatic machine: on-line analysis by PTR-ToF-MS. International Journal of Mass Spectrometry http://dx.doi.org/10.1016/j.ijms.2016.02.015.



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댓글 24

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핫초코

2020-09-08 12:13  #1342014

보유자격 없음

흥미롭네요. 좋은 글 감사합니다.

저도 언젠가 직접 연구를 해보고 싶네요!

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olive731

2020-09-08 17:33  #1342196

보유자격 없음

좋은 정보 감사합니다.

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아놀드

2020-09-08 19:22  #1342258

B.STARTER

좋은 자료 감사합니다.

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theday

2020-09-08 23:20  #1342360

보유자격 없음

감사합니다 유의미한 실험과 결과물~~~!

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힘내라힘

2020-09-08 23:30  #1342401

B.STARTER

훌륭한 글 정말 고맙습니다~~!!

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서리

2020-09-09 11:01  #1342689

B.EXPERT

잘 읽었습니다. 사용하신 "압력 강하"의 의미가 일반적인 유체역학에서 사용되는 압력 강하(Pressure Drop)의 의미와는 좀 다른듯 한데 어떤 의미로 사용하신 것인지 알 수 있을까요? 일반적으로 에스프레소 추출에서는 일반적인 상황일 경우는 압력 강하(델타 P)의 값의 크기에 차이가 있을 뿐 어느 압력에서나 존재할 수 밖에 없지 않나 생각하는 편인데 12.5바 - 13.5바에서 압력 강하 현상을 지목하신 이유가 있을 것 같아서 질문 드립니다.  

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빈브라더스

2020-09-11 12:37  #1344301

@서리님

안녕하세요, 서리님! 질문 남겨주셔서 감사합니다!


질문에 대한 답변을 먼저 드리자면, 질문 주신 문장에서의 압력 강하는 유체역학에서 이야기하는 압력 강하가 맞습니다.


위 서론에서 이야기한 것처럼 헤드스페이스의 수압 (Pe) 는 커피퍽의 저항으로 인한 압력 손실값(Pr, 이는 커피퍽의 공극(분쇄도) 뿐만 아니라 마찰, 구배, 길이, 물의 흐름 등 커피퍽으로 인해 생기는 모든 손실을 포함)과 물의 흐름(운동에너지, 1/2ρ*v^2)에 의한 동압(Pc)과 기압(Pa)를 모두 더한 값으로 정해집니다. (Pe=Pr+Pc+Pa)


서리님이 이야기해 주신것 처럼 추출에 있어선 항상 압력강하가 생깁니다.


3.2 추출시간 파트에서 "6.5bar 부터 12.5bar 까지에서도 펌프 압력 상승에 따라 미세하게 압력 강하가 있음을 뜻하지만 결과적으로 유의미한 차이를 만들어 내지는 않았다."

라고 작성한 것은

12.5bar~13.5bar보다 6.5bar~12.5bar에서 상대적으로 압력강하가 적다는 것을 이야기하고자 했습니다.


더 자세히 이야기 하면, Pe=Pr+Pc+Pa에서 6.5bar~12.5bar는 추출시간의 큰 변화가 없으므로 Pc는 일정하지만, 측정되는 Pe 값이 증가하였으므로 Pr 값 또한 소폭 증가하게 됩니다.

즉, Pe↑=Pr↑+Pc(일정)+Pa





질문 주신 3.2 파트의 "즉, 유의미한 압력 강하는 12.5bar에서 13.5bar 사이부터 생긴다고 할 수 있다."

이 문장은 12.5bar~13.5bar에서는 6.5bar~12.5bar 보다 상대적으로 더 큰 압력강하가 있었음을 이야기하고자 했습니다.


더 자세히 이야기하면, 6.5bar~12.5bar와 같은 분쇄도일 때,

Pe=Pr+Pc+Pa에서 Pc는 유속이 느려졌으므로(분쇄도가 굵어졌다는 것은 같은 분쇄도일 때 유속이 느려졌다는 것을 의미하므로) 감소하게 됩니다. 하지만, Pe는 1bar의 차이만 있으므로 6.5bar~12.5bar 보다 더 큰 Pr 값의 변화가 있었음을 의미합니다.

즉, Pe↑=Pr↑↑+Pc↓+Pa


12.5bar~13.5bar 에서 "유의미한 압력강하" 라는 것은 6.5bar~12.5bar보다 더 큰 유속저하가 있었고 이로 인해 동압이 감소하면서 더 큰 압력강하가 생겼음을 이야기 하고자 했습니다.

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썬카페

2020-09-12 00:23  #1344845

@빈브라더스님

끼어들어서 죄송합니다 !

압력강하가 한 점에서의 압력이 다른 점에서 떨어지는 현상인데, 

13.5bar에서 유속이 감소함으로써 눈에 띄는 압력강하가 발생했다는 말씀은 동압이 압력으로 표현된 것인가요 ?

profile

Olaf

2020-09-12 10:25  #1345076

@썬카페님

저도 압력강하에 대한 이해가 조금 어려웠습니다. ㅠㅠ

얇팍한 유체역학 지식으로 모든 곳에서 저항이 발생히니 압력강하는 이루어질거고 유량이 커질 수록 난류가생기면서 압력강하는 유속에 제곱에 비례한다고 알고 있어서 이해가 안되었는데, 위에 헤드스페이스 수압식을 보여주면서 설명해주셔서 알게 되었어요.

동압은 속도에 연관되는 압력이다 보니 유속이 떨어지면 값은 감소하므로 Pe 값은 수치로 나와있으니 Pr 압력손실값이 자연스럽게 커지면서 압력강하가 더 큰값을 나타낸다고 이해했습니다!

이렇게 이해한게 정확한지는 모르겠지만 ㅠ

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썬카페

2020-09-12 13:14  #1345149

@빈브라더스님

추가합니다 ! ++


+)자꾸 수정해서 죄송해요 ㅠㅠ

1. 헤드스페이스 수압 측정 식을 찾으려고 했는데 찾지 못했습니다. 인용하신 논문을 열람할 수가 없더군요

그리고 Pr에 대한 식도 찾지 못했어요 ,,


유체역학에서 압력은, 전압 = 동압+정압으로 알고 있습니다.

그리고 압력은 일반적으로 정압을 뜻하고 있어요. 

압력계는 유체흐름에 수직인 정압을 측정하죠.

스카스도 보시면 추출구 방향에 수직으로 압력계가 있는것을 보실 수 있을겁니다.


유속이 빠를수록 동압은 증가하지만 전압은 일정하므로 정압이 감소합니다

그래서 압력계 값이 낮아지구요


그래서 13.5바에서 유속이 감소했다는 것은 동압이 감소한 것이고 정압은 증가했기 때문에 압력 강하가 오히려 더 적어지게 되었다고 생각합니다

 

일반적인 대기압에서 정압은 1이겠지만, 파이프가 9바인 펌프에 연결되어있고, 유체의 흐름이 없다면,(블라인드 필터)

동압은 0이되고 전압=정압이 되서 압력계는 9바를 나타낼겁니다. (펌프에서 그룹헤드까지의 관로 마찰손실은 가정하지않음)


하지만 여기서 유체가 흐르게 되면 동압이 생기고 정압이 감소하므로 압력계는 낮아질거구요

압력 강하가 두 지점에서의 압력 차이일 때, P1지점이 펌프, P2지점이 포터필터가 장착된 그룹헤드라면

유속이 빠르다는 것은 P2지점에서 압력이 낮다는 것이고,  델타P = P1-P2 압력강하는 더 큰값을 나타냅니다.

그래서, 13.5bar에서 낮아진 유속은 압력강하를 낮추게 되는거죠


관련되어서 자세한 내용은 Hagen–Poiseuille equation, darcy weisbach equation 을 확인 바랍니다

혹은 pressure drop and flow rate을 검색하셔도 유속에 따른 압력강하 그래프를 확인하실 수 있을거에요


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빈브라더스

2020-09-15 13:50  #1347488

@썬카페님

안녕하세요 썬카페님.

압력에 대해서도 관심갖고 질문 주셔서 정말 감사합니다!


1. 헤드스페이스 수압 측정 식을 찾으려고 했는데 찾지 못했습니다. 인용하신 논문을 열람할 수가 없더군요

그리고 Pr에 대한 식도 찾지 못했어요 ,,


=> 일리가 쓴 espresso coffe the science of quality (2005)  262페이지 본문에 식과 함께 설명이 나와있습니다. 이 식으로 설명한 이유는 그룹헤드 압력을 이해하는데 가장 쉽게 이해할 수 있기 때문이었습니다!

아마 압력강하의 기준점에 대한 이야기가 없어 오해가 있었던 것 같습니다.


위 본문에서 이야기하는 압력강하 지점은 P1=커피퍽 이전의 압력 출입부(그룹헤드 압력), P2=커피퍽 이후의 압력 출수부(포터필터 외부)를 이야기합니다.

예로 들어주신 이야기에 대해 논의 드리면,

P1=펌프, P2=그룹헤드 일 때, 만약 유속이 빨라졌다고 가정한다면, 압력강하 식은 위 본문에서 언급한 식

에 의해 증가하게 됩니다. 하지만 앞의 식은 물의 관로에서 생기는 압력강하 식입니다. 즉, 물의 흐름과 관로의 특성에 따른 압력강하 식을 나타냅니다.

본문에서 이야기 한 압력강하 지점은 커피퍽을 기준으로 P1=커피퍽 이전의 압력, P2=커피퍽 이후의 압력 입니다. 이 때 압력강하 식은 위에서 언급한 관로에서의 압력강하 식을 적용할 수 없습니다. 굉장히 작은 입자들로 이루어져 있는 커피퍽 때문이죠.

이 경우엔 썬카페님이 언급하신 다르시 법칙을 적용해야 하는데, 다르시 법칙에서 중요한 것은 투수계수입니다.


투수계수는 같은 분쇄도의 커피퍽일 경우 당연히 추출시간과 반비례 관계가 있습니다. 즉, 추출시간이 길다는 것은 투수계수가 낮아진다는 것이죠. 또한 다르시 법칙을 변형하여 압력강하 식을 유도하면, 

으로 나타낼 수 있고, 결국 추출양, 커피퍽 길이, 커피퍽 단면적이 동일하다면 압력강하는 투수계수에 반비례하다는 것을 알 수 있습니다. 즉, 투수계수가 상대적으로 낮다면 압력강하는 높아지게 됩니다.


다시 본문 내용으로 돌아오면,

6.5bar~12.5bar 에서는 추출시간과 분쇄도가 동일하므로 투수계수에는 큰 변화가 없다고 볼 수 있고, 이는 6.5bar~12.5bar의 경우 12.5bar~13.5bar 보다 압력강하가 상대적으로 적다고 볼 수 있습니다.

하지만 12.5bar~13.5bar의 경우 같은 분쇄도일 때 추출시간이 급격하게 증가하게 되어 투수계수가 이전보다 급격히 낮아짐을 알 수 있고, 이러한 현상을 통해  6.5bar~12.5bar 보다12.5bar~13.5bar일 때 상대적으로 더 큰 압력강하가 발생했다고 볼 수 있을것 같습니다.


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썬카페

2020-09-17 02:13  #1348935

@빈브라더스님

감사합니다 !

저도 적고나서 압력강하가 일반적으로 배관의 마찰손실이나 부차적 손실에 이용된다고 들었습니다. 부정확한 자료를 제시해서 죄송합니다.


커피추출 역학에서는 주로 달시법칙이 이용된다고 하는데 커피 추출을 시뮬레이션 하는 식에서 압력 강하가 배관에서의 압력 강하와는 조금 다른 뜻을 가지는 것 같습니다. 

배관에서 압력 강하가 마찰로 인한 손실을 뜻 한다면, 커피에서는 커피 베드를 기준으로 위쪽(압력이 높은 영역-펌프압)과 아래쪽(추출부 영역,-압력1(대기압))의 차이를 기술하는 것 같습니다.


달시 법칙에 의해 두 지점의 압력차가 클수록 유량이 많아져야 하지만, 

위 실험에서와 같이 13.5바에서는 오히려 유량이 감소했어요.


저는 이런 현상을 압력강하를 통해 설명하기는 조금 적합하지 않다고 생각합니다.


1. 달시법칙에서도 두 관 사이에 다공질 물질이 있고 그 것의 양 옆(혹은 위아래)

으로 연속된 관이 있습니다. 그리고 두 위치에서의 압력차와 투수율이 유량에 결정적인

영향을 미치게 되죠

커피베드의 출구쪽은 대기압 상태이니 1bar를 나타낼겁니다.

그럼 압력차는 펌프에 달렸고, 배관 직경이 동일하니 압력이 증가한다면 유량과 유속이 

증가할겁니다.


하지만,  위의 실험에서는 오히려 반대현상이 관찰되었고 작성자님은 이런 현상을

압력강하와 투수계수에 초점을 두셨는데, 댓글에서 

 ' 결국 추출양, 커피퍽 길이, 커피퍽 단면적이 동일하다면 압력강하는 투수계수에 반비례하다는 것을 알 수 있습니다. 즉, 투수계수가 상대적으로 낮다면 압력강하는 높아지게 됩니다.

다시 본문 내용으로 돌아오면,

6.5bar~12.5bar 에서는 추출시간과 분쇄도가 동일하므로 투수계수에는 큰 변화가 없다고 볼 수 있고, 이는 6.5bar~12.5bar의 경우 12.5bar~13.5bar 보다 압력강하가 상대적으로 적다고 볼 수 있습니다.

하지만 12.5bar~13.5bar의 경우 같은 분쇄도일 때 추출시간이 급격하게 증가하게 되어 투수계수가 이전보다 급격히 낮아짐을 알 수 있고, 이러한 현상을 통해  6.5bar~12.5bar 보다12.5bar~13.5bar일 때 상대적으로 더 큰 압력강하가 발생했다고 볼 수 있을것 같습니다. '

라고하셨어요. 

그리고 위에서 추출량을 동일하다고 가정하셨는데, 

실험에서 유량은 현저히 감소했죠. 압력차이는 13.5바로 더 커졌습니다

이 것을 상쇄시키려면 투수계수가 낮아져야 하고

투수계수는 커피 베드의 공극률과 입자크기에 관련이 있는데

입자가 같다면 펌프압에 의한 커피베드의 consolidation으로 이어진 공극률 감소로 인해 

투수계수가 낮아질 수는 있겠지만 과연 이것이 현저하게 낮아진 유량과 증가한 압력차에

부합할 수준인지는 의문입니다.


그리고 압력의 증가가 점진적인 투수계수 감소가 아닌 특정 지점에서만 급격한 투수계수 감소를

일으켰는가도 불분명 한 것 같습니다


그래서 13.5바에서의 감소한 유량을 투수계수 감소로 인한 압력강하의 증가로

보기에는 어렵다고 생각합니다


이런 경우는 달시법칙이 적용되지 않거나, 커피베드의 consolidation, 정확히 알 수 없는 이유등으로 발생했다는 것이 조금 더 설득력 있어보입니다


감사합니다 !

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서리

2020-09-12 23:25  #1345406

@서리님

@빈브라더스님 답변 감사합니다. 제가 궁금했던 부분은 사용하신 압력 강하라는 용어가 유체역학에서는 대게 인입부와 출수부 사이의 차압, 즉 ΔP를 나타내는데 사용되기 때문입니다.

——————————————-

   더 자세히 이야기 하면, Pe=Pr+Pc+Pa에서 6.5bar~12.5bar는 추출시간의 큰 변화가 없으므로 Pc는 일정하지만, 측정되는 Pe 값이 증가하였으므로 Pr 값 또한 소폭 증가하게 됩니다. 즉, Pe↑=Pr↑+Pc(일정)+Pa 질문 주신 3.2 파트의 "즉, 유의미한 압력 강하는 12.5bar에서 13.5bar 사이부터 생긴다고 할 수 있다." 이 문장은 12.5bar~13.5bar에서는 6.5bar~12.5bar 보다 상대적으로 더 큰 압력강하가 있었음을 이야기하고자 했습니다.

————————————————- 

Pressure drop 자체가 측정 위치에 따라 당연히 달라지는 개념이지만 쓰신 글에서 Pressure drop 은 명확히 어느 지점과 어느 지점 사이의 압력 강하를 말씀하는 것인지가 명확해야 읽는 분들이 혼란을 더실 수 있으실 것 같습니다. 


개인적으로는 서술해주신 부분은 압력 강하라기보다는 Darcy의 법칙과 상이하게 나타나는 “압력 증가에 따른 유량 역전 현상”이 더 적합한 설명이 아닌가 생각합니다. 그리고 커피 퍽을 두고 전단과 후단의 압력 측정으로 델타 P를 구한다면 이번 실험에서는 6.5 바와 12.5바도 각각 의미있는 Pressure drop 값을 가지게 될것 같구요. 

참고로 일반적인 배관의 Pressure drop 계산에서 유량이 감소하면 압력손실로서의 ΔP값도 감소하며 압력의 상승도 ΔP의 감소로 나타나는 걸로 알고 있습니다. 이런 부분은 쓰신 내용과는 반대되는데 그 부분에 대한 견해도 궁금합니다. ^^ 이런 논의 좋네요.

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빈브라더스

2020-09-15 13:52  #1347493

@서리님
안녕하세요, 서리님. 의견 감사합니다.
이런 토론 너무 즐겁습니다.

지적하신대로 압력강하의 인입부의 출수부에 대한 정확한 기술이 필요한 한것 같네요. 설명하면 인입부는 퍽이전의 공간, 출수부는 커피퍽 이후의 영역을 말합니다. 그리고 이 인입부(퍽이전)와 출수부(커피퍽 이후 공간) 압력 하강을 압력강하로 기술하였습니다.
-----------------------------------------------
Darcy법칙을 잘 모르시는 분들 위해 간단히 설명하면
Darcy 법칙 

(Q= 유량, K= 투수계수, A=추출면의 면적, L은 추출관의 길이)
유량은 투수계수와 압력, 추출면의 면적에 비례하고 추출관의 길이에 반비례한다는 공식
투수계수와 압력차에 따른 유량을 잘 설명해주는 식입니다. 보통 지질학에서 홍수를 연구하기 위해 많이 이용되는 식입니다.
------------------------------------------------
사이즈가 정해진 배관에서 유량의 감소는 K가 고정일 경우이므로  ΔP값의 감소로 해석할 수 있습니다. 하지만 커피퍽의 경우 투수계수(K)값이 분쇄도 변화로 인해  변하기 때문에 K*ΔP값을 고려해야 합니다. (여기서 퍽의 구조에 해당하는 A와 L은 같다고 전제합니다. )
이 실험에서 12.5~13.5bar 지점에서  급격한 Q의 감소(단위 추출양의 급격한 추출시간 증가, 곧 추출속도의 감소)는 단조로운 ΔP의 변화에도 불구하고 K값의 급격한 증가로 인해 기인한다고 해석할 수 있습니다. 대략 12.5~13.5bar 영역에서 예상 못한 급격한 투수계수의 감소 효과가 발생한다고 예상됩니다. 제 생각엔 이는 스캇라오가 프로페셔널 바리스타 책에서 언급했던 병목현상에 대한 얘기와 일치하는 부분인 것 같습니다. 물론 라오가 말한 숫자와 실제 측정값이 다르다는것에 이 실험의 의의가 있는것 같습니다.
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서리

2020-09-19 10:02  #1350662

@빈브라더스님

감사합니다. 말씀하신대로 테스트해주신 부분은 여러 논문에서도 이야기 된 대로 "커피 압력의 선형적인 증가가 다르시의 법칙을 따르지 않는"다는 부분에 대한 것이 아닐까 합니다. 따라서 이 내용은 "압력 상승과 유량 역전 등 변곡점의 발생"에 대한 부분이라고 생각하고 있구요. 스캇 라오 뿐만 아니라 많은 연구가들이 연구하고 있는 부분이기도 합니다.

따라서  본문의 "압력 강하"가 구체적으로 무엇을 표현하고 싶으셨던 것인지에 대한 부분이 아직 명확하게 와닿지 않습니다. 

(아마도 펌프압력의 증가와 유량 감소가 발생하는 변곡 압력지점이 12.5~13.5바이고 그 부분에서 유량 역전이 생긴다는 의미를 전달하려 하셨을거라 생각합니다.)


가령 본문의 내용

 "이는 6.5bar 부터 12.5bar 까지에서도 펌프 압력 상승에 따라 미세하게 압력 강하가 있음을 뜻 하지만 결과적으로 유의미한 차이를 만들어 내지는 않았다. 즉, 유의미한 압력 강하는 12.5bar에서 13.5bar 사이부터 생긴다고 할 수 있다. "


이 부분이 현재 많은 분들께 모호함을 느끼게 하는 부분입니다.


이 문장은 두 댓글에 남겨주신 대로 -

------------------------------------------------------------------------------------

"사이즈가 정해진 배관에서 유량의 감소는 K가 고정일 경우이므로  ΔP값의 감소로 해석할 수 있습니다. 하지만 커피퍽의 경우 투수계수(K)값이 분쇄도 변화로 인해  변하기 때문에 K*ΔP값을 고려해야 합니다. (여기서 퍽의 구조에 해당하는 A와 L은 같다고 전제합니다. )
이 실험에서 12.5~13.5bar 지점에서  급격한 Q의 감소(단위 추출양의 급격한 추출시간 증가, 곧 추출속도의 감소)는 단조로운 ΔP의 변화에도 불구하고 K값의 급격한 증가로 인해 기인한다고 해석할 수 있습니다. 대략 12.5~13.5bar 영역에서 예상 못한 급격한 투수계수의 감소 효과가 발생한다고 예상됩니다." 
------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------

"투수계수는 같은 분쇄도의 커피퍽일 경우 당연히 추출시간과 반비례 관계가 있습니다. 즉, 추출시간이 길다는 것은 투수계수가 낮아진다는 것이죠. 또한 다르시 법칙을 변형하여 압력강하 식을 유도하면, 

으로 나타낼 수 있고, 결국 추출양, 커피퍽 길이, 커피퍽 단면적이 동일하다면 압력강하는 투수계수에 반비례하다는 것을 알 수 있습니다. 즉, 투수계수가 상대적으로 낮다면 압력강하는 높아지게 됩니다.

다시 본문 내용으로 돌아오면, 6.5bar~12.5bar 에서는 추출시간과 분쇄도가 동일하므로 투수계수에는 큰 변화가 없다고 볼 수 있고, 이는 6.5bar~12.5bar의 경우 12.5bar~13.5bar 보다 압력강하가 상대적으로 적다고 볼 수 있습니다.

하지만 12.5bar~13.5bar의 경우 같은 분쇄도일 때 추출시간이 급격하게 증가하게 되어 투수계수가 이전보다 급격히 낮아짐을 알 수 있고, 이러한 현상을 통해  6.5bar~12.5bar 보다12.5bar~13.5bar일 때 상대적으로 더 큰 압력강하가 발생했다고 볼 수 있을것 같습니다."

------------------------------------------------------------------------------------


따라서 제가 쓴 첫 댓글과 써주신 위 두 댓글에도 확인할 수 있듯,  ΔP의 값을 통해 6.5bar~13.5bar 사이의 추출부에서 "압력강하"의 유무를 정확히 기술하기 위해서는 실제 펌프 압력이 아닌 "헤드스페이스 부분의 실제 추출 압력과 추출 후단 부(퍽 후단)"의  ΔP 값을 확인해야 합니다. 


그리고 각각의 추출 세트에서의 ΔP 값을 수치로 표현 한 뒤에야 우리는 비로소 "각 압력 세팅에서의 유의미한 압력 강하"의 여부를 판단할 수 있기 때문입니다. 모든 추출 압력 세팅에서도 (큰 저항으로 작용하는 퍽의 특성상) 퍽에 의한 압력 강하는 모두 크게 나타나니까요. 


현재 테스트해주신 내용은  제 생각으로는 "펌프의 압력 값"이 헤드스페이스의 "Driving Pressure"와 혼용되어 이해될 오해의 소지가 있다는 점, 그리고 "압력 강하의 유의미성 판단"을 위해서는 실제 헤드스페이스 부의 Driving Pressure 와 실제 유량 등이 정량 측정 된 뒤 실제  ΔP 값을 따져보아야 판단이 가능하다는 점 등으로 본문의 "압력 강하"의 용어와 관련 요약이 완벽히 올바른 설명은 아니란 점입니다.   


요약하자면, 테스트해주신 실험에서는 펌프의 세팅 압력의 선형적인 증가가 다르시의 법칙을 고스란히 따르지 않는(압력과 유량은 비례관계)다는 기존의 연구 결과들의 현실적 증명에 더 의미가 있지 않나 싶습니다. 그리고 사실 분쇄도와 바스켓 종류와 사이즈, 그리고 커피 로스팅의 정도에 따라서 이러한 압력에 따른 유량의 역전 현상이 발생하는 압력 지점은 굉장히 다른 특성으로 나타나는 것도 사실이라는 점 등이 되겠네요.


이런 좋은 실험과 댓글의 논의를 통해서 많은 바리스타 분들이 실제 펌프 압력과 실제 추출 압력, 그리고 퍽 저항의 가변성 가능성 등에 대해 논의할 수 있는 계기가 되었으면 합니다. 좋은 실험과 요약, 그리고 댓글에 다시한번 감사드립니다.



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썬카페

2020-09-09 15:20  #1342840

B.STARTER

잘 봤습니다 !

질문과 본문에 오류가 있는 듯해서 댓글 남깁니다

1. 그림8과 본문 설명부분에서 그래프는 39g을 기준으로 작성된 듯 보입니다.

하지만 그림8 설명에는 38g으로 적혀있어요




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빈브라더스

2020-09-11 12:44  #1344307

@썬카페님
그래프 계산에 오류가 있었네요. 확인해 주셔서 감사합니다!
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추출장인

2020-09-10 04:37  #1343358

보유자격 없음

좋은가 잘읽었습니다.

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상민

2020-09-10 12:45  #1343615

보유자격 없음

유익한 글 잘봤습니다.

profile

나은지

2020-09-10 14:43  #1343710

보유자격 없음

좋은 정보 감사합니다.! 도움 많이 되고 있어요.

profile

ByBaek

2020-09-11 08:57  #1344182

보유자격 없음

정말 유익하고 좋은 정보였습니다. 감사합니다.

profile

Olaf

2020-09-12 17:45  #1345251

B.STARTER

잘 읽어보았습니다! 감사합니다:)

profile

HwangKiHoon

2020-09-13 19:06  #1345792

B.STARTER

슬슬 대회에서도 압력 변화에 맞춰서 규정이 바뀌겠죠?

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"비밀글입니다."

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에스프레소 머신에서 추출수 온도가 추출 결과물에 미치는 영향by Bean brothers1. 서론훌륭한 품질의 커피를 일관성 있게 제조하기 위해선 생두 선별과 로스팅 과정 뿐만 아니라 추출 과정도 중요한 요소 중 하나이...

작성자: BW컨텐츠팀

등록일: 2020-09-01

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스트롱홀드 로스팅을 부탁해 제7화 - 기초 로스팅 (1)

스트롱홀드 로스팅을 부탁해 제7화 - 기초 로스팅 (1)㈜스트롱홀드테크놀로지, 로스팅 기초 교육 영상 컨텐츠 ‘로스팅을 부탁해’ 배포 기사에서 소개한 바와 같이 <로스팅을 부탁해>는 로스팅 기초 이론 및 스트롱홀...

작성자: BW컨텐츠팀

등록일: 2020-08-31

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브루잉 커피에서 최적의 유속을 얻는 방법 by 스캇 라오 3

Illustration of different types of agitation imparted to the coffee slurry by different shapes of water streams.브루잉 커피에서 최적의 유속을 얻는 방법by 스캇라오푸어오버(Pourover) 방식의 커피에서 물을...

작성자: BW컨텐츠팀

등록일: 2020-08-26

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GSC International에서 새롭게 선보이는 써미컬(Thermical)... 6

GSC International에서 새롭게 선보이는 써미컬(Thermical) 프로세스 커피코스타리카의 루이스 에두아르도 캄포스 농장주는 국내에서도 이미 유명한 농장주 가운데 하나이다. 예로 지난 2019년 코리아 브루어스컵 챔...

작성자: BW컨텐츠팀

등록일: 2020-08-25

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