프로라운지

안녕하세요 블랙워터이슈 여러분

커피나무 유전학과 생리학을 바탕으로 커피를 큐레이션 하는

파이오니어커피 정다운입니다.


요즘 비가 드문드문 내리고 있습니다

그래서인지 온도가 좀 떨어졌네요 32도.

근데 확실히 시원하다고 느껴집니다

36도 정도되면 정말 돌아다닐 수 없네요 ㅋㅋㅋ


저는 식물 유전학과 생리학에 주로 관심을 가지고 있습니다

그래서 커피나무에 대한 이야기를 주로 하고 있죠.

근데 제가 오랜기간 동안 근무하고 있는 포지션은 바리스타입니다 ㅎㅎ

첫 직장부터 스페셜티 커피를 지향하는 곳에서 근무를 했기 때문에 빠르게 커피 트렌드에 적응할 수 있었어요

그리고 당시엔 브루잉보다 주로 에쏘가 각광받아서 에쏘를 오랜 시간동안 접했답니다.


애쏘에 대한 내용을 언젠가는 시작해야하는데 계속계속 미루다가 시작하게 되었습니다

일단 오늘은 워밍업으로 ,, 소개하나 하고 넘어갈게요

에쏘는 아니고 프렌치 프레스에 대한 내용입니다

아니 이런걸 한다고 ? 하는데 이런식으로 하다보면 새로운 인사이트도 발생되고

데이터도 쌓여서 나중에 도움이 될거에요.


그럼 시작

The force required to operate the plunger on a French press

프렌치 프레스를 즐기기 위해선 어느정도 힘이 필요할까 ?

제목부터 역학이라는게 느껴집니다 ;;

추출을 하다보면 충분히 추출에 대한 예상을 할 수 있죠. 물리학이나 수학을 몰라도 직관적으로

그럴것 같다 라는 느낌이 듭니다

거기에 경험이 더해지면 보다 정교한 추출을 설계할 수 있구요


예를들면, 다른 조건은 동일하게 두고 입자를 더 가늘게 하면, 유량이 느려진다는 것을 관찰할 수 있죠.

또는 같은 입도라도 양을 늘리면 마찬가지로 유량이 줄어든다는 것을 관찰할 수 있어요

바리스타들은 이런 변화를 실험적으로 항상 관찰하고 있구요, 학자들은 그런 현상을 수식으로 표현해서

현상에 대한 이론적 근거를 뒷받침 해줍니다

왜 그런 현상이 일어나는지 수식을 통해 시뮬을 해주는거죠.


이렇게 시뮬을 돌리면 실제와는 조금 괴리가 있지만, 커피추출에 핵심적인 영향을 주는 변수를 발견할 수도 있구요

그로 인해서 바리스타들이 조금 더 이론에 기반한 추출을 설계할 수 있죠.


오늘 소개할 논문은 에쏘는 아니구요 ,, 프렌치 프레스에 관한 논문입니다.

얼만큼 힘을 줘야 프레스기가 커피층을 누르면서 아래로 이동할까요 ?

언뜻 보기에는 그냥 누르면 되는걸 뭘 계산까지 하나 싶은데, 독자들은 실험 결과 뿐 아니라

과정에서도 인사이트를 얻을 수 있기 때문에 오늘 내용을 토대로 각자의 의미있는 결과를 얻고 가셨으면

좋겠다는 생각으로 소개하게 되었습니다.

본격적으로 에쏘를 소개하기 앞서 워밍업이기도 하구요ㅎㅎㅎ


우선 이 논문은 수식을 통해 최적의 커피를 내리는 방법을 알려준다던가 어떤 힘으로 누를때

가장 맛있나 등의 내용을 다루지는 않습니다.

저자들은 커피추출이 과학적으로 많이 다뤄지고 있지만 상대적으로 푸어오버나 프렌치 프레스 같은

방법은 덜 다뤄지고 있다고 합니다.


프렌치프레스는 밀폐된 원통형의 실린더에 커피가루를 넣고 뜨거운 물을 푸어링 한 후 일정 시간동안 기다리고

필터가 있는 플런저를 눌러서 커피를 즐기는 방법입니다.

하리오, 칼리타 등의 투과식 방법과는 조금 다른 침지식 방법이죠

이번 연구는 이런 의문에 답하려고 합니다.


1. 커피입자들을 프레스 할 때 필요한 힘이 어느 정도인가 ?

2. 그 힘에 가장 큰 영향을 주는 요소는 무엇인가 ?



첫번째 색션


A. 실험 준비

커피는 54g을 사용했으며 추가적인 실험을 진행함에 따라 도징양을 늘렸어요.

프렌치 프레스에 커피를 담고 막 끓은 물을 1L까지 채운 후 프렌치 프레스의 플런저를

커피입자 바로 위까지 올려서 대기시킵니다.

일반적인 권장시간인 약 4분 혹은 5분간 침지를 시키고 프레스를 하게됩니다.

* 커핑을 혹시 해보셨나요 ? 드라이커피에 뜨거운 물을 붓게되면 커피입자의 가스방출과

다공성으로 인해 입자가 상층에 떠오릅니다.

 프렌치프레스도 마찬가지로  커피에 물을 부으면 상층으로 올라와요


위 실험은 보다 캐쥬얼한 실험과 모델링을 통해 검증하는 엄밀한 실험 총 두 방법으로 진행되었습니다

이렇게 두가지로 나눠서 진행한 것에 대해서 캐쥬얼한 방식은 반복실험과 측정이 용이하고

엄밀한 테스트는 실험실 수준에서 수식을 통한 모델링을 검증하기 위해서 진행되었습니다


B. 재료의 물리적 상태

저는 이런 류의 논문이 어렵기도 하지만 확실히 쉽게 읽혀요

왜냐면 실무에서 사용되는 용어도 많이 보이고, 실무에서 자주 언급되던 변수들로 실험이 진행되거든요.

추출을 역학 측면에서 다룰 때는 다공성 매질인 커피입자에 대한 정보가 필수적이겠죠.

10-3 : 1mm; 10-4 : 0.1mm=100um; 10-5 : 10um

이번 실험에서 진행된 입자분포 입니다. 단위는 항상 잘 봐주시구요

필요하다면 계산기를 옆에 두고 단위들을 변환하면서 이해해주세요

솔직히 우리는 정보를 얻고 이해하는게 목적이지 지식을 과시하려는게 아니잔아요.


일반적으로 커피 입도 분포는 일반적으로 이렇게 쌍봉우리가 나타납니다.

우리가 타겟으로 한 입자영역 (오른쪽), 그리고 그것과는 별개로 컨트롤할 수 없는 영역(왼쪽)

왼쪽 피크는 대략 50um, 오른쪽 피크는 대략 300um입니다.

그리고 전체 입자 평균은 대략 104um라고 해요

 

입자를 광학현미경으로 관찰한 사진과 표면을 렌더링해서 입자의 높낮이를 보여주고 있습니다

일정한 색이 아닌 이유는 입자가 굴곡지고 다공성이라 그렇습니다


이어진 저자들의 실험에서 또 의미있는 결과를 발견했습니다.

저자들은 입자가 젖기 전과 젖은 후의 입자부피가 변하는지 비교했어요.

요 내용에 대해선 서리님께서 정리해준 자료가 있으니 참고하시구요.


일단, 이번 내용에서는 부피차는 3%수준으로 이 정도는 무시할 수 있는 수준이라고 합니다.

정확히 이번 실험에 있어서 무시할만한 수준인지, 아니면 팽윤을 하지 않는다 라고 볼 수 있는지는

잘 모르겠습니다. 하지만 저는 스웰하지 않는다 쪽의 입장이라 ㅎㅎ

왜냐면 세표벽을 이루는 탄수화물이 과연 의미있는 팽창을 할정도로 수분을 흡수할 수 있을까? 하는 생각을 가지고 있습니다


커피 입자 밀도 : 이번 실험에서 커피 입자 밀도는 480kg/m-3이며

물이 1000kg/m-3이니 물보다 가벼워서 부력이 발생해요


C-1. 캐쥬얼 실험

첫번째 실험에서는 무게를 알고있는 추 0.5kg과 1kg을 사용했습니다.

프렌치 프레스에 5분간 커피를 우린 후, 커피퍽 두깨(아까 물을 부으면 입자가 위로 뜬다고 말씀드렸죠 ?그 두깨입니다)를

측정하고 추를 플런저에 올립니다. 그럼 자연스럽게 무게에 의해 플런저가 내려갈테고, 이 때 시간과 내려간 길이를 기록해둡니다


C-2. 실험실 수준

이 실험에서는 수식을 통해 모델링을 한 후 테스트를 진행하게 됩니다.

캐쥬얼 실험의 결과를 뒷받침 해줄수도 있죠

테스트는 플런저가 일정하게 이동하기 위한 힘이 어느정도 인지 측정하는 방법으로 진행되었고

추가적인 실험과 변수들을 파악하기 위해 물 없이, 커피 없이, 아무것도 없이 플런저를 테스트했습니다.

이것을 통해 각각의 요소들이 얼마만큼의 저항을 만들어내는지 알 수 있죠.

그리고 또 중요한 요소로는 온도. 하지만 온도는 이번실험에서 충분히 무시할 수 있었다고 합니다.

비디오 촬영을 통해 커피퍽의 두깨를 결정했어요


그리고 또 중요한 요소 하나 나옵니다

공극률

커피층을 통과하는 유량을 결정하는 요소중 하나입니다

얼마만큼의 빈공간이 있느냐를 나타내며, 어떤 물질의 부피에서 빈공간이 차지하는 비율로 나타내요

0-1사이의 값으로 표현하거나 0-100%로 표현합니다.

측정을 통해 커피 벌크 밀도는 230kg/m-3으로 결정됬으며

계산을 통해 얻어진 공극률 값은 1-(벌크 밀도/솔리드 밀도)로 계산되며 약 0.53입니다


*벌크 밀도는 일반적으로 로스터들이 사용하는 방법입니다.

부피를 알고 있는 통에 생두를 꽉 채우면 무게를 알 수 있고 밀도를 구할 수 있어요=> 벌크밀도

'커피 입자 밀도'는 솔리드 밀도로 표시되었으며 어떤 부피에 커피 입자들로 꽉 차있을 때의 값입니다.

보통 파우더로 분쇄해서 측정하고 피크노미터를 이용합니다

표현이 조금씩 다른것 같은데 particle - true - solid density 동의어로 사용되는 듯합니다



결과는 ?


1. 커피퍽의 두깨

두 실험 방법 모두 물을 부었을 때 커피퍽의 두깨는 유사했습니다

편차는 약 3%이내

커피 사용양에 따른 커피퍽의 두깨 변화;, 닫힌 심볼은 캐쥬얼 실험 값

예상할 수 있듯이 커피를 더 많이 사용하면 커피퍽의 두깨도 증가했죠.

물을 부은 즉시 측정한 커피퍽 두깨의 변화

심볼은 위 그림을 통해 봐주시구요

시간에 따른 커피퍽의 두깨를 보여주고 있습니다

비디오 촬영을 통해 분석한 결과에요. 마찬가지로 사용한 커피 양에 따라 커피퍽의 두꺠가 결정되었습니다

시간에 따라 안정한 두깨에 도달하는 것도 비슷하긴 한편이죠


커피양과 추의 무게에 따른 플런저의 이동

캐쥬얼 실험의 결과입니다.

프렌치 프레스에 추를 올려두었을 때 이동 거리를 시간에 따라 보여주고 있습니다

1kg의 추에서 기울기가 크죠 이 값은 커피양이 적을 때 더 큰것을 볼 수 있습니다


요건 기계 실험을 통해 얻은 값이에요 각 커피를 동일한 유속으로 플런저를 미는데 필요한 힘입니다

커피양이 더 적을 수록 더 적은 힘이 ,,


두번째 색션


첫번째 색션에서는 플런저를 누르는 힘을 구했다면

두번째에서는 어떤 요소가 힘에 영향을 미치는지 파고 들었습니다


플런저가 내려가는데 필요한 힘

 F= 플런저가 커피퍽을 미는 힘(Fh) + 플런저의 망이 뜨거운물을 지나가는 힘(Fm)  + 커피퍽의 부력(Fb) +

플런저와 프렌치 프레스 사이드의 마찰(Ff) + 플런저 자체무게(Mp) + 중력(g) 입니다.

앞선 실험들로  Fm+Ff+Mp+g는 무시할 수 있다고 했고 거의 부력과 플런더가 커피층을 뚫는 힘이 주 요소였어요


각각의 요소들에 대한 힘이 결정되었고, 부력인 Fb는 너무 작아서 무시할 수 있는 수준이라고 했습니다.

그리고 전체 부력은 커피입자의 지름보다는 양에 의해 결정된다고 합니다


이어서 Fh를 구했고 위에서 구한 식과 각각 실험을 통해 구한 실험 값을 토대로 투과도를 구했습니다

위 그래프는 가해준 힘에 따른 유속의 변화를 보여주고 있습니다


앞선 실험에서 커피양이 정해져 있으면 힘에 따라서 유속이 변했죠.(케쥬얼실험)

그리고 다른 실험에서는 커피 양에 따라 유속을 동일하게 유지하는데 필요한 힘을 구했습니다


그렇게 구한 투과도 k= (1.34 +- 0.1) * 10-12 m2


위 값은 이 실험에서 결정된 식입니다. 여기서 입도분포가 변하면 퍽의 공극률이 변하고, 투과도가 변하겠죠.

커피퍽 두깨도 변할테구요

하지만 매번 그렇게 구할 수 없으니, 이들은 우리가 프렌치 프레스에 사용할 적절한 힘을 구하기 위해서(;;)

일반화 할 수 있는 식을 제시했습니다. 그리고 실험 결과들을 이 식에 넣어봤죠

Kozeny-Carman model

위 식과 앞서 다른 그룹에 의해 보고 됬던 결과를 바탕으로 fitting 을 했을 때 대략 비슷한 값을 얻었습니다


공극률은 숫자가 클수록 그 베드(커피퍽)의 공극이 많다는 뜻입니다.

투과도 역시 위로갈수록 지수값이 작아지니까 더 투과도가 높다는 뜻 이구요


자 여기까지 ! 오늘 끝입니다.


주제와 위쪽 내용만 보면 뭐야 이게 싶을껍니다

당연히 커피퍽이 많으면 누르기 빡실테고 누르는 힘이 강하면 더 빠르게 플런저가 내려가겠죠.

하지만 이들은 그런 현상을 수식을 통해 표현했고,

저 처럼 이런 역학에 익숙하지 않은 사람에게 보다 쉽고 친절하게 풀어줬습니다.

다른 유체역학 논문은 사실 제가 보기엔 어려워요 상당히 (ㅠㅠ)

왜냐면 논문들은 백그라운드가 있다고 가정하에 풀어가기 때문에 주제 개요와 흐름에 대한 설명만 짧게 해줄 뿐

깊은 관계들은 말해주지 않거든요 

( 예를 들면 ~~~것 때문에 이 논문을 쓰게되었다 에서 ~~~것이 중요한 요소라는걸 저는 모르죠. 하지만 보고나서 깨닳습니다

아 중요했구나.)


저는 이번 내용을 통해 다른 요소들을 구할 때 생각하는 법을 배웠구요, 보다 수식에 좀 익숙해진 느낌입니다.

그 전에는 수식들이 아 이 수식들은 다공성 매질에 적용하는 식이구나, 에쏘에 적용할 때는 변형이 필요하구나

이런 요소가 중요하구나 까지만 알았거든요.

사실 지금도 크게 나아진건 없습니다 근데, 뭔가 다른 논문들 보다보면 인사이트를 발굴할 수 있을 것 같은

느낌이 들어요 !! ! ! 


그리고 그래프들이 간결하게 표현되어 있고 예상치 못한 자료들이 발생해서 좋네요

다음 주제는 약속대로 크레마에 대한 내용입니다.

전과 마찬가지로 크레마라는 주제에 대해 조각조각 살펴볼 예정이에요

디테일을 다루기 위해 전체를 먼저 파악하고 돌아오겠습니다 ㅎㅎ


profile

ABOUT ME

커피 전분야를 사랑합니다. 주로 식물생리학과 유전학 육종학에 관심이 많으며 식품쪽으로는 생두의 가공을 통한 풍미관련해서 관심이 많습니다바리스타로써는 좀더 산업적인 분야와 아카데믹한 추출에 관심이 많습니다
사업자회원
B.STARTER

댓글 2

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서리

2021-08-04 10:55  #1615934

B.EXPERT

대단하세요! 잘 읽었습니다. :) 요즘 논문들은 주제가 참신한 것들이 많군요!

profile

썬카페 작성자

2021-08-04 15:11  #1616240

@서리님

안녕하세요 서리님 ㅎㅎ 저는 처음에 제목보고 끌렸다가 읽으면서 뭔가 좀 실망도했지만 그래도 각각 실험들에서 괜찮은 자료들을 추출할 수 있었습니다 ㅎㅎㅎ 그러게요 학자들이 궁금한게 생기면 요렇게 푸나봅니다 ,,

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