콜라의 탄산은 어떻게 제조되는 걸까요?
평소에 콜라를 즐겨마시는데요. 탄산은 어떤 공장에서 어떤 장비와 원재료를 기반으로 제조되는지 궁금합니다. 제조 시간은 얼마나 걸리나요?
안녕하세요.
탄산의 제조에 대해서 화학식을 기반해서 설명드리겠습니다. 콜라를 비롯한 탄산음료에서 느껴지는 특유의 청량감은 이산화탄소(Carbon Dioxide ; 𝐶𝐎₂)를 액체에 용해시키는 탄산화 공정(Carbonation Process)을 통해 구현됩니다. 이 과정은 대형 음료 제조 공장에서 정밀한 압력 조절과 가스 주입 기술을 이용하여 진행되며, 기체 상태의 이산화탄소를 액체에 고압으로 주입함으로써 용해도를 증가시킨는 원리를 활용합니다.
이산화탄소가 물(𝐻₂𝑂)과 결합하면 일부는 탄산(Carbonic Acid ; 𝐻₂𝐶𝑂₃)으로 전환되며, 이로 인해 미세한 신맛과 독특한 청량감이 형성됩니다. 이러한 반응을 화학식으로 표현하면 :
𝐶𝑂₂(𝑔) + 𝐻₂𝑂(𝑙) ⇌ 𝐻₂𝐶𝑂₃(𝑎𝑞)
이 반응에서 탄산(𝐻₂𝐶𝑂₃)은 강한 산성이 아니므로 대부분 해리되지 않은 상태로 존재하지만, 일부는 이온화되어 보다 강한 산미를 띠게 됩니다. 이를 화학식으로 표현하면 :
𝐻₂𝐶𝑂₃(𝑎𝑞) ⇌ 𝐻⁺(𝑎𝑞) + 𝐻𝐶𝑂₃⁻(𝑎𝑞)
탄산화 과정은 카보네이터(Carbonator)라는 전문 장비를 사용하여 이루어지며, 일반적으로 다음과 같은 단계로 진행됩니다. 먼저, 정제수를 일정한 온도로 냉각한 후ㅡ일반적으로 0 ~ 4 ℃ㅡ 고압 상태의 이산화탄소를 주입합니다. 낮은 온도에서는 기체의 용해도가 증가하므로, 탄산화의 효율성을 극대화하기 위해 액체 온도를 낮추는 것이 중요합니다. 이후, 압력을 조절하면서 균일하게 이산화탄소가 분산되도록 혼합한 뒤, 즉시 병 또는 캔에 충전하고 밀봉합니다.
이러한 과정에서 탄산이 용해된 상태를 유지하려면 일정한 고압이 유지되어야 합니다. 병이나 캔이 밀봉된 상태에서는 내부 압력이 높아 𝐶𝑂₂가 안정적으로 용해되어 있지만, 개봉하는 순간 압력이 급격히 감소하면서 이산화탄소가 기포 형태로 방출됩니다. 이로 인해 톡 쏘는 감각이 발생하며, 기체가 빠져 나가면서 콜라의 풍미가 변하는 현상이 나타납니다.
제조 시간은 생산 규모에 따라 차이가 있지만, 산업용 탄산화 공정에서는 수 초 ~ 수 분 내에 대량의 음료를 탄산화할 수 있도록 설계됩니다. 일반적으로 1,000 L의 탄산수를 제조하는데 약 2~3분이 소요되며, 이후 충전 및 밀봉 과정까지 포함하면 완제품 한 병(500ml 기준)이 생산되는데 약 10~15초가 소요됩니다. 대형 공장의 경우, 자동화된 생산 라인을 통해 분당 수천 병의 탄산음료를 생산할 수 있습니다.
이와 같은 내용을 조금 더 자세히 접하고 싶다면 Belitz, H. D., Grosch, W., & Schieberle, P. (2009). Food Chemistry (4th ed.). Springer. 라는 문헌을 추천드립니다.