소주는 어디서 와서 어디로 가는가?
소주는 크게 두 가지 종류로 분류되는데요. 바로 희석식과 증류식 소주입니다. 아마 고등학생 독자분들께는 녹색병과 투명한 병에 들어있는 소주라고 말씀드리는 것이 더 쉬울지도 모르겠습니다. 희석식 소주 생산 공정에서는 카사바나 감자 같은 값싼 녹말 원료를 발효하여 에탄올을 만들어낸 후, 이를 연속 증류하여 ‘주정’이라 불리는 고농도의 에탄올(약 95%)을 만들어냅니다. 그 다음 주정을 물로 희석하여 도수¹ 를 17~25%까지 내리고, 각종 감미료² 를 넣어주면 희석식 소주가 완성됩니다.

증류식 소주는 그 방식이 약간 다릅니다. 주로 쌀을 원료로 하여 발효를 하며, 마찬가지로 증류 과정을 거치지만 고농도의 주정을 만들어내지는 않습니다. 그 대신에 17~25%의 농도에 이를 때까지 증류하여 곧바로 상품을 완성하는 것이지요. 희석식과 증류식 두 방식 모두 생산 공정에 증류가 포함되지만, 후자의 경우 주정을 물에 희석하는 과정이 없어 앞의 방식과 구별하기 위해 증류식 소주라는 표현을 사용합니다.

효모야 힘내! 생물반응기
증류 공정과 소주는 떼려야 뗄 수 없는 관계입니다. 이는 생물반응기의 한계 농도와 관련이 있습니다. 소주 생산 공정으로 다시 돌아와 볼까요? 두 방식 모두 처음에는 녹말로부터 에탄올을 만들어내는 과정이 있다는 것을 발견할 수 있습니다. 해당 공정은 주로 효모를 이용하여 진행되는데요. 이렇게 생물을 이용해 화학반응을 수행하는 반응기를 생물반응기라고 부릅니다. 생물반응기는 여러 단계가 필요한 화학반응을 하나의 반응기 내에서 경제적으로 수행할 수 있다는 장점 때문에 최근 여러 산업체에서 적극적으로 활용되고 있습니다. 그러나 치명적인 단점 역시 존재하는데요. 바로 생물을 사용하기 때문에 변수가 많고 크기에 제약이 있다는 점입니다.

소주 생산 공정에서 바로 이러한 요인이 발목을 붙잡습니다. 발효균(효모)이 생성하는 에탄올이 일정 농도를 넘어가면 오히려 에탄올이 발효균의 생장을 막는다는 것입니다. 그래서 생물반응기를 통한 에탄올의 생성은 에탄올 농도가 높아질수록 속도가 빠르게 감소하는 특징이 있는데요. 발효균이 원하는 농도의 에탄올 용액을 만들어줄 때가지 마냥 기다릴 수만은 없기 때문에, 공학자들은 낮은 농도의 생물반응기 생산물을 증류하여 그 농도를 높이게 됩니다.

들었다 놨다, 들었다 놨다 해! 증류와 연속 증류
아마 고등학교 화학 과정을 통해 증류라는 말 자체는 익숙하실 텐데요. 한 번 더 복습하자면, 분별 증류란 끓는점 차이가 나는 두 액체 물질을 분리하기 위해 끓는점이 낮은 물질을 끓여서 분리 해내는 방식입니다. 그렇다면 연속 증류는 무엇일까요? 그 이름에서도 알 수 있듯, 이러한 분별 증류를 여러 번 반복하는 것을 의미합니다. 끓는점이 서로 다르다면 한 번만 증류를 해도 충분할 것 같은데, 도대체 왜 연속 증류를 하는 것일까요?

이를 이해하기 위해서는 그림 2의 증기압 그래프를 이해해야 합니다. 아래 그림에서 y축은 온도를 의미하고, 파란색 선은 증기 조성선, 녹색 선은 용액 조성선을 의미합니다. 증기압 그래프를 보는 방법을 빠르게 알아볼까요? 먼저 에탄올과 물이 2:8의 몰수비로 88°C에 존재(그림 2의 빨간 점)한다고 가정해봅시다. 온도가 에탄올의 끓는점인 78°C보다 높으므로, 에탄올의 일부가 기화될 것으로 예상할 수 있습니다. 이때 에탄올이 얼마나 기화되어 각각 기체와 액체의 조성이 어떻게 되는지를 알려주는 것이 바로 그림 2의 증기압 그래프입니다.

고등학생 독자들에게 전하는 말

기사에서는 소주의 생산 공정과 관련된 여러 공학적 원리들을 다루었지만, 음주는 청소년기에 절대로 경험해서는 안 되는 일입니다. 모쪼록 기사의 공학적 가치가 잘 전달되었길 바라며, 호기심에서라도 청소년 유해 물질을 접하는 일이 없도록 당부드립니다.

- 서울대학교 공과대학 학생홍보 기자단 일동-