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실험실용 초미분(나노) 저온분쇄기
HKP-30/50/200
식품의 초미분쇄
■ 산업용 제품으로서의 생산성
초저온 생산시스템으로 가동시(입도 120MESH/d90) 시간당 100㎏,200㎏,500㎏ 등의 대량생산이 이루어지며 초미분 저온 생산시스템으로 가동시 분쇄입도 2000MESH/d90까지 손쉽게 초미분을 얻을 수 있습니다.
■ 산업용 제품으로서의 연속가동 성능
제품에 적용된 초정밀 베어링,무진동 동력 전달 시스템,순차 기동형 집진 시스템,베어링 적정온도 유지 시스템,저온 운전시스템(-20℃)에 의하여 연속 가동시 항상 일정한 조건을 충족하여 상업운전 성능이 극히 우수합니다.
■ 다양한 분쇄입도 조절기능
MMI시스템에 의한 데이터의 변경만으로 Ultra Fine Pulverizer는 다양한 입도의 분쇄를 행하여 사용자의 의도를 충족시킵니다. 예) 소금을 1000메쉬로 분쇄하고자 하는 경우 MMI시스템의 품목을 ˝기억된 소금 1000메쉬˝로 선택하면 Ultra Fine Pulverizer는 입도 1000메쉬의 제품을 생산합니다.
■ 저온분쇄로 영양소 파괴방지 시스템 구현
고속운동 에너지와 대응 반발력을 이용한 고효율의 분쇄 메카니즘으로 발열을 근본적으로 억제합니다. 자체 냉각,제습 시스템 탑재로 소비성 냉매(액체질소,탄산가스 등)의 투입 없이 -20℃의 저온 분쇄를 실현하여 저온 분쇄비용을 절감합니다. 원료의 영양소 파괴,물성변화 없이 저비용으로 고부가 가치 상품을 생산할 수 있습니다. 각종 한약재,약품 원료 등을 성분 변화를 최소화하며 분쇄할 수 있습니다.
■ 초미분 가공시스템
· 추가 분급 장치없이 초미분 분쇄작업이 이루어집니다.
· 분쇄망이 없어 섬유소의 분쇄작업도 손쉽게 이루어집니다.
· 간단한 조작으로 조분,미분,초미분까지 분쇄가능한 분쇄 메카니즘을 탑재하였습니다.
· 기존 분쇄시스템 대비 40%까지 공간을 절약할 수 있습니다.
■ 초미분 가공 시스템으로서의 높은 수익성
· MMI시스템의 채용으로 다품종의 분쇄재료를 손쉽게 분쇄합니다.
· 각종 재료의 분쇄자료를 탑재하여 규격화 된 분쇄작업이 이루어집니다.
· 분쇄물의 실제 분쇄온도가 컴퓨터 화면상에서 확인됩니다.
· 분쇄물의 투입량,시스템의 운전상태,시스템의 이상징후 등 각종 데이터가 감시되고 최적의 조건으로 자동제어 됩니다.
· 전문 분쇄지식이 없는 작업자도 MMI시스템으로 인하여 손쉽게 작업이 가능합니다.
· MMI시스템을 이용하여 각종 분쇄자료가 손쉽게 추출 됩니다.
· 인터넷을 통한 원격제어 기능으로 시스템 이상 발생시 원격보수작업이 이루어집니다.
■ 향료식품 분쇄 시스템
저온 분쇄 메카니즘과 산화방지 기술의 적용으로 향성분의 손실을 최소화하여 우수한 제품을 생산합니다.
■ 초미분쇄의 목적
·유효성분 추출공정의 단축 및 추출효율 향상
· 분쇄물의 용해능 및 타원료와의 혼합능을 크게 향상시키고 가공효율 극대화
· 식품재료의 단백질,섬유질등의 초미립화 → 분말섭취가능 → 다양한 제품개발(기능성 식품,기호식품 - 다류 등 음료산업,제약산업 등에 적용)
■ 고급식품원료의 고부가가치 여부를 결정하는 핵심요소
·가공 완료 후 원재료가 가지고 있던 고유의 영양성분 보존
·유효기능성분,색,향,풍미의 보존 가공
■ 기존의 제품 생산방법
1. 기존 생산공정 :건조 → 정선 → 분쇄 → 추출 → 농축
→ 진공건조(분말) → 살균 → 포장
2. 문제점
1) 전체 생산 공정상의 문제점
- 생산 공정의 복잡 → 유지보수 등의 고정비용,인건비 상승
- 제품생산을 위한 대규모 시설과 공간 확보가 요구됨
- 대규모의 부지,시설비용 소요 → 조기의 투자자금 회수 어려움
→ 이자부담 등 운영상의 문제점 발생
2) 공정별 문제점
· 기존 분쇄기 사용으로 발생하는 문제(분쇄방법) :충격과 마찰력을 이용한 분쇄기의 사용 (롤,함마,핀밀,ACM 등)
→ 마찰에 의한 분쇄열 60℃ ~ 120℃ 까지 발생(예 :비타민C는 43℃에서부터 파괴시작,지방질의 산패 시작 등)
→ 식품재료의 색,향,풍미의 변화 영양성분의 파괴
→ 영양성분 및 유효기능성분의 파괴
(예 :단백질 변성 및 생리활성 물질상실
※특히 섬유질 등으로 구성된 식품재료의 초미분쇄 불가능
·추출 :분쇄입자에서 유효성분 추출
- 유효성분의 손실이 큼 → 고품질의 제품생산이 불가능
- 추출 후 찌꺼기 발생 → 폐기물처리 공정의 추가 → 후처리 비용 발생
3. 해결방안
1) 공정의 축소 :건조 → 초미분쇄 → 포장
·공정 축소의 효과
· 부지 및 시설비용의 큰 감소(추출,농축라인) → 초기 투자비용의 감소와 유지보수 등 고정비용과 인건비 감소 → 조기의 손익분기점 달성 → 경영 안정화
2) 저온 초미분쇄 시스템의 구축
·저온분쇄 :색,향,영양소 보존가능
·비소모성 냉매가스를 이용한 고품질의 제품 및 경제적 생산
· 초미분말생산
①초미분말 = 최종 제품(건조 → 초미분쇄 → 포장)
②원재료의 손실 0% = 유효성분 100%섭취가능 = 최고의 제품생산
③ 생산량의 증대 = 최대의 경제적 이익실현
④초미분말을 이용한 다양한 종류의 제품개발 가능
저온 초미세(나노) 분쇄 시스템
HKP Series
■ 자체 분급시스템(Self Recycling Classification)
1. 분쇄기 내부에 입자선별 기능 탑재
·원심력과 항력을 이용한 조분과 미분입자의 분리
2. 특징
·입자의 미립화를 위한 조,중,미,초미분쇄처리과정의 단축
예1) 기존 분쇄방식 :Roll Mill(조분쇄) → Hammer Mill(중간미분쇄)
→ Pin Mill(미분쇄) → 초미분쇄기
예2) 자체 분급 저온 초미립 분쇄시스템 :30 MESH재료 → 초미립자 생산
■ 저온 분쇄시스템(Low Temperature Pulverizer)
1. 분쇄기 본체와 제습된 공기 공급을 위한 냉각장치
·분쇄시 발생하는 열의 제거를 위한 비소모성 냉매 냉각라인 구성
2. 특징
·경제적이고 고품질의 제품생산(소모성 가스대체 :CO2,N2)
·저온 분쇄를 통한 영양소 파괴 및 색,향 등의 손실 최소화
·제습된 공기의 공급을 통한 입자의 응집 및 분쇄물 부착방지
·제습된 공기를 주 분쇄공기로 활용함으로써 위생적인 분말생산가능
■ 재료 정량공급장치(Gear Type Input System)
·비례제어에 의한 일정한 양의 재료공급
·재료의 투입량 조절과 유지보수가 용이
·비례제어에 의한 일정한 양의 재료 공급
·재료의 투입량 조절과 유지보수가 용이
■ 첨단 자동제어 시스템 탑재(Man Machine Interface System)
·전 공정의 자동화를 통한 무인화 공정실현
·폐회로 구성을 통한 친환경적인 작업환경 조성
·실시간 기계운전사항 모니터링
·분쇄작업물의 데이터베이스 구축
■ 초미분 원천기술 보유
·18건의 초미분 관련 특허 보유
·유기적 특성 보존기술 보유
■ MMI를 이용한 분쇄시스템 자동제어
■ HKP-50을 이용한 실험분석
■ HKP-Series 성능평가 결과표
1. 재료의 입도분석
분쇄생성물의 입도분포는 Mie의 광산란 이론을 적용한 Particle Size Analyzer (Malvern Ins. Ltd,Master Sizer-2000,U. K)를 이용하여 분석
2. HKP-50을 이용한 실험분석
· 버섯류의 경우에 평균입도가 약 7~10㎛의 분포
· 섬유질로 분류되는 감초~인진쑥에서는 평균입도 4㎛이하
· 홍삼과 쌀에서는 평균입도 7~10㎛이하
· 식물의 세포를 4~16 토막내는 초미분 분쇄성능 구현
· 생산량은 재료의 비중과 관련있음
저온 초미세(나노) 분쇄 시스템 Nano Machine/Pulverizer
Scanning Electron Microscope
■HKP-Series 성능평가 결과표
3. SEM(Scanning Electron Microscope)을 이용한 재료의 입자형상분석
초미립화에 따른 입자의 형상을 비교하면 버섯류의 경우 아래에서와 같이 평균입도의 차이를 SEM을 이용하여 입자의 미립화 경향을 쉽게 비교할 수 있음을 알 수
있다. 특히 대표적인 섬유질 재료인 감초는 초미립화 경향을 나타내는 입자의 구형화가 완벽히 진행되었음을 알 수다 있다.
■분쇄기의 종류별 비교평가
통메밀을 분쇄하여 구형화가 된 모습
■
HKP-Series 성능평가 결과
■ 메쉬,목,마이크론환산표(STANDARD SIEVE COMPARISON)
마이크론 1㎛ = 0.0001cm
분쇄기 초미립자 테스트 비교표
Result Analsis
Report
·입도분석방법
Master Sizer 2000
·스캐닝머신 :SEM
CaCO3 초미분
CaCO3 초미분
표고버섯-분쇄후(건)
표고버섯-분쇄후(건)
탈피콩
탈피콩
멸치-분쇄후(건)
멸치-분쇄후(건)
녹차-avg
단호박-avg
송이
홍삼2
쌀
노루궁뎅이버섯
나노기술을 이용하는 식품산업
Nano Technology
* 논문발췌,
기술 유출 우려부분삭제
식품,의약품,한방재 산업 분야에 Nano과학이 필요한 시대가 왔다. 즉 식품,한방재,화장품,제약 등의 산업에서 사용하고 있는 원재료의 고유한 영양성분,색,향기,풍미 등을 최대한 보존시킬 수 있도록 가공하여야 하고,액체속에서 유효 성분이 쉽게 용해될 수 있는 콜로이드 입자 크기 범위인 0.1~10㎛까지 초미분말화 기술인 나노과학이 식품산업에도 요구되고 있는 실정이다. 최근 한방재는 건강식품으로서 대체하는 과정에서 원재료의 고유성분이 보존된 상태에서 손 쉽게 차가운 물에 용해될 수 있는 친수성 콜로이드계 입자까지 초미분말화 할 수 있게되면,국민들은 일반적 인 커피나 차처럼 다양하게 초미분말화한 한방재를 손쉽고 용이하게 음용
하게 됨으로서 국민 건강 증진에 기여도가 클 것이며,이를 이용한 다양한 건강식품이 개발되어 국가 경쟁력에 큰 역할을 할 수 있을 것이다. 곡물및 약용식품의 영양성분,향기 등의 입자크기가 1~100㎛ 범위이지만 분말가공 처리 방법으로 재료의 유효 성분을 용출하기 위해서는 분쇄 가공된 분말 입자의 크기는 최소한 10㎛이하가 요구되며,재료의 고유한 향이 휘발하지 않으면서,분쇄 효율을 향상시키기 위해서는 저온 또는 초저온 분위기에서 초미분쇄하여야 한다. 가열처리 방법인 고온·고압에서 고전단력이 발생되는 이축압출성형 방법을 이용해서 섬유질이 많이 포함된 한방재를 처리하면 살균작용,독성제거가 될 뿐 아니라,세포벽 파괴 등에 의
하여 다양한 수용성 식이섬유의 량이 증가할 수 있게 된다. 또한 한방제재에서도 다양한 모양으로 제형 할 수 있고,초미분쇄기를 이용하여 압출성형 방법으로 가열처리된 한방재를 초미분쇄기로 초미분화하여 경제적으로 양산화 할 수 있는 기술에 대한 개발이 요구되고 있는 실정이다.
본 논문에서는 분말가공 처리 과정에서 곡류,약용 식물들의 고유한 성분,맛,향기 등 을 최대한 보존하면서 살균처리,독소제거,수용성 식이섬유량을 향상시키기 위해서는
첫 번째 :초미분쇄기를 이용한 초미분말화 기술 개발
두 번째 :초저온 또는 저온 분위기에서 분쇄 할 수 있는 분쇄y sstem
세 번째 :이축 압출성형-초미분쇄 가공처리로 초미분말화 기술에 대한
문헌을 조사하였다.
■ 식물세포벽의 구조
식품산업에서 사용되는 식품 분말의 미세구조는 Fig.1처럼 1`~100㎛ 범위이고,세포벽은 200~500㎛ 범위이다. 한방산업,의약품산업과 식품산업에서 재료의 입자 크기를 3㎛정도로 초미분쇄 시키면 표면적이 증가됨으로 용해도가 우수한 콜로이드계의 고체 분상상을 만들 수 있다. 분산계의 분산매와 분산상의 물리적 특성은 입자의 크기,입자모양과 굴곡성,입자표면
의 성질(예,전기적 성질 등),입자-입자 사이의 상호작용 등에 따라 달라진다. 콜로이드는 액체에 용해가 잘 되는 친수성 콜로이드와 용해가 안 되는 소수성 콜로이드로 구별되어진다. 최근 초미분쇄기를 이용하여 단백질을 3㎛이하로 초미분말화 시키면 단백질 내부에 존재하는 소수성 부분이 노출되어 미세분말 표면의 친수성 성향을 증가시킬 수 있다. 이렇게 미세분말화된 단백질은 식품산업 분야에서 심각한 건강문제를 일으키고 있는 지방을 대체하는데 사용하고,또한 물속에 있는 기름은 소수성이지만 단백질이 첨가되어지면 초미분말화된 단백질 표면에 기름이 흡착되어서 친수성화 된다. 실제 cake 에서도 Table 1처럼 전분의 입자크기가 30㎛이하
로 되면 친수성 콜로이드 드 분산상으로 존재함을 알 수 있다. 곡류나 한방재의 원료도 10㎛이하로 초미분말화 한다면 이들 콜로이드 분산상은 차가운 물에도 쉽게 용해될 수 있을 것이다. 식품의 원료로 사용되어지고 있는 과채류와 곡류의 세포벽은 microfibril 물질인 cellulose와 matrix 물질인 hemicellulose,pectin,당단백질 그리고 enclusting 물질인 lignin으로 이루어져 있다.(Fig.2) 그리고 이들은 서로 공유결합,수소결합,이온결합,소수결합 등으로 강하게 연결되어져 있어서 식물조직을 외부의 공격으로부터 보호 할 수 있다. 세포벽 구성물질의 대부분은 인체 내에서 소화되지 않으며 식이섬유 dietary fiber로서 생리적 기능에 영향을 미친다. 이들 식이섬유는 용해도에 따라 water-soluble dietary fiber와 water-insoluble dietary fiber로 분류된다. water insoluble dietary fiber는 소화기관을 통과하면서 다량의 수분을 흡수해서 대변의 용적을 증가 시켜주고,장내 통과시간을 줄여줄 뿐만 아니라 전분의 가수분해를 억제하고 포도당의 흡수를 지연시키는 생리작용을 한다. 반면에 water soluble dietary fiber는 3차원 구조의 젤을 형성하는데 이 젤은 식품의 장내 통과를 지연시키고 포도당의 흡수를 방해한다. 특히 혈중에 존재하는 콜레스테롤의 함량을 감소시키는 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 그러므로 불용성 상태의 식물 세포벽을 수용화 시켜서 수용성 식이 섬유의 함량을 증가시킬 수 있다면 이는 식이섬유의 생리적인 특성을 다양화 시킬 수 있을 뿐만 아니라 한방재료 등에 존재하는 유효성분을 용출시키는데 도움을 줄 것이다. 열매를 식용으로 하는 식물류인 곡류에 있어서 가장 바깥 쪽은 왕겨(껍질부분)로 둘러싸여져 있으며,그 내부는 피부,배유,배아로 되어있다.(Fig.3)
과피와 종피로 이루어져 있는 피부는 배아와 배유를 보호하는 부분으로 조섬유,회분,조지방을 많이 함유하고 있으며,특히 세포막은 묽은 산이나 알칼리에 용해하기 어려운 섬유로 되어있다. 이 부위에는 단백질,지방,비타민 B1이나 무기질이 많이 들어 있으나,딱딱하고 거친 조직으로 이루어져 있어서 보통 2차 도정과정에서 대부분이 제거 된다. 배아는 곡류 알맹이 아래 부분에 있는데 발아 할 때 뿌리나 잎과 같은 새로운 식물체를 형성하는 번식기관이므로 지질,단백질,무기질이 많이 들어 있으며,기타 영양성분들도 다양하게 많이 있으나 도정할 때 제거된다. 배유는 곡류의 대부분을 차지하는 먹을 수 있는 부분으로 전분을 많이 함유하고 있으며 피부와 배아부는 식이섬유와 생리활성 물질을 많이 함유하고 있다. 쌀의 전분입자의 크기는 2`~12㎛,밀,보리는 25㎛,메밀은 12.5㎛,감자는 45㎛,고구마는 15㎛정도 이며 일반적으로 전분 입자를 1~30㎛크기로 초미분말화 시키면 전분은 수용성이 우수한 겔식품을 만드는데 이용되어질 수 있다.
현재 산업계에 일반화된 공정으로서 곡물,과육,약용식물 등에 함유된 고유 성분추출은 열수를 이용하여 추출하였으나,고 전단력을 이용하여 헤미셀룰로이즈 등의 섬유질을 식이 섬유화시킬 수 있고,또한 이를 물에 용해가 잘 되도록 초미분말화 시키는 초미분분쇄기술이 미래식품산업계에 일반화된 기술로 자리 할 것이다.
■ 초미분 저온 분쇄기
국내에서는 박 등(1993,1995,1996)이 연구를 통해 독일에서 구입한 유체에너지 분쇄기인 jetmill을 이용하여 식이 함유량이 38%인 미강을 초미분쇄 시키면서 공기분급기의 분급속도 9,000에서 21,000rpm 까지 회전시켜 3.7㎛ 구형인 초미분말에서 식이섬유함유량 25.2~31.5%로 식이섬유 함유량의 약 80%이상을 추출하였다. 미분말화 동부가 조분말 동부보다 유화력은 약 3배 증가되었고,약 85% 수준으로 동부 전분의 건식회수가 가능하였고,최소한의 물로 세척 한 후에는 좋은 품질의 동부묵 제조가 가능함을 연구 조사하였다. 마의 점질물 분리한 결과 분쇄 생성물의 입자의 크기가 10~15㎛까지 미분말화 할 수 있었고,미분말 입자들은 점질물의 주성분인 식이섬유와 단백질 함량이 분급하지 않은 마 분말보다 2.5~9배 정도 농축되고,수분 용해지수는 1.5~3.0배 이상 증가되는 결과를 조사 하였다. 즉 마로부터 점질물을 분리,농축하기 위해서는 5~30㎛ 크기의 입자까지 초미분쇄하여야 한다고 조사하였다. 탈지대두박 재활용하기 위해서 실험한 결과 식섬유가 20%인 타원형 분말이면서 4.0~14.2㎛ 입자 크기 범위였고,초미분말을 케익에 10%정도까지 대체하였을 때 콩 특유의 비린냄새가 강하지 않았음이 조사되었다. 또한 대두피는 단백질이 20%,식이섬유가 50%이상 함유되어 식이섬유 소재인 원료를 초미분말화 결과 공기 분급기에 따라 미분획은 3.1~5.5㎛이고,조분획은 9.9~20.0㎛였으며 케익과 쿠키의 제조에 있어서 밀가루를 대두피 분말로 10%정도 수준 까지 할 수 있다고 보고함으로서 국내의 곡류를 이용하여 초미분말 하였을 경우 충분히 겔 식품을 생산 할 수 있음을 분석하였으며,국내에서도 강의 연구진들과 한국에너지기술에 의하여 초미분말화 분쇄기가 개발되어 국내에서도 식품산업등에서 초미분말을 사용 할 수 있게 되었다.
■ 초미분쇄기
최근의 분체공학에서는 고밀도,고집적,고농축의 제품생산을 위한 초미립분말에 대한 요구가 커지고 있다. 특히 초미립분말의 입도 조절에 대한 요구는 증가하고 있다. 일반적인 산업분야에서는 초미립자의 경향을 나타내는 d97=100㎛ - 2㎛사이에서의 Cut Size를 가진 제품이 요구된다.
이와 같이 초미세분말을 생산하는 분쇄기를 초미분쇄기라고 한다.
건조분말의 초미분쇄에는 분급장치가 내장되어 있거나 별도로 외부에 부착되어 있는 고속의 충격분쇄기(Impact mill)나 제트밀(Jet mill)이라고 부르는 유체에너지밀이 사용된다. 또한 습식 초미분쇄에는 콜로이드밀(colloid mill) 또는 초고압 유체분쇄기가 사용된다.
최근에 섬유질로 구성된 식품 및 한방재료 가공 산업에서의 분체가공기술은 입도가 90%<10㎛이하이고 평균입도 3㎛이하의 분말이 요구되고 있다. 그러나 표2에서 보듯이 일반적인 분쇄기로서는 섬유질 재료를 평균입도 10㎛이하의 분포를 가진 제품을 생산하기가 매우 어렵기 때문에 분쇄 → 추출 → 농축 → 진공건조 → 분말의 공정을 통하여 제조되는 경우가 많다. 이러한 공정의 축소와 섬유질 재료의 초미분쇄를 위해 고 전단력으로 분쇄할 수 있는 새로운 형식의 분쇄기가 한국에너지기술에 의하여 개발되었다. 새롭게 개발된 초미분쇄기는 기존분쇄기에서 일정범위의 입도분포를 가진 최종제품생산을 위해 요구되던 별도의 분급시설을 분쇄기 내부의 장치를 이용함으로서 분급시설의 공정을 단축하였다. Table 2는 유체에너지 분쇄기에 분급장치가 내장된 분급내장형분쇄기(pulverizer series)와 기존의 식품분쇄기의 특징을 비교 분석하였다. 한국에너지기술에 의하여 개발된 초미분저온분쇄기는 분쇄시 발생되는 열을 30℃이하까지 억제 시킬 수 있으면서 고전단력으로 섬유질이 많이 포함된 재료를 1~10㎛범위 까지 초미분말화 하도록 개발되었으며 이를 pulverizer라 명하였다. 초미분저온분쇄기의 분쇄와 분급과정을 설명하며 다음과 같다. 투입재료는 투입장치를 활용하여 투입구를 통하여 분쇄기에 공급되어진다. 여기에서 투입재료는 일정하게 분포되고 임펠러의 가속기를 이용하여 재료를 축 중심으로 유도하고 1차 가속날개에 의하여 발생하는 추진력을 이용하여 1차 트랙(H),2차 트랙(I)으로 재료를 가속함과 동시에 충격,전단,압축력으로 재료를 1차로 미립화 시키며 최종적으로 3차 트랙(J)를 이용하여 분쇄와 동시에 입자분리를 위한 경계층을 만든다. 즉 Size reduction 효과는 분쇄트랙에 부딪치는 충격작용으로 분쇄되며 동시에 분쇄 트랙의 냉각작용으로 저온 분쇄 할 수 있도록 설계하였다.
배출구를 통하여 배출된 재료는 하향흐름의 회수장치(항상 필터를 거쳐 집진장치에 수집)에서 공기로부터 분리되어지며,배출구(E)의 공간형상은 원심력과 항력을 이용한 미분과 조분의 분리를 가능케 하는 구조로 되어있어 분급되지 않은 재료의 배출을 방지한다. Fig.5는 폐회로 초미분저온분쇄 시스템을 보여주고 있다. 폐회로 시스템의 구성은 분진발생과 자동화공정의 실현을 위해 재료의 저장(material storage) → 자동이송장치(Auto supplier) → 1차,2차 분리기(1st,2nd separator) → 집진기(dust collector)의 순서로 되어있으며 컴퓨터에 의한 자동제어 (MMI;man machine interface)를 기반으로 한 데이터의 산출 및 제품생산을 제어할 수 있게 설계되었다.
■ 초미분저온 분쇄시스템의 분급원리
■ 초미분저온 분쇄시스템의 저온 분쇄시스템
일반적인 분쇄공정에서 열은 아주 작은 크기로 입자가 파괴되어질 때 발생되어진다. 이와 같이 발생된 열은 항상 제품의 향과 품질의 저하를 초래한다. 예를 들어 향료 분쇄 시 제품온도는 42~95℃까지 상승하게 되는데 이것은 향료의 oil과 함수량에 따라 변한다.(Pruthi&;Misra,1963) 그러나 향료는 이와 같은 온도상승으로 인하여 휘발성의 오일 또는 향성분의 중요한 일부분을 잃는다. 향료들에서 휘발성오일의 손실은 무려 육두구 37%,육두구의 껍질14%,계피 17%와 오레가노 17%에 이르는 것으로 보고되었다.(Andres,1976) caraway 열매의 분쇄 시 휘발성오일의 손실은 분쇄온도가 -17℃에서 45℃로 증가 시 32%가 된다고 발표되었다.(Wolf&;Pahl,1990) 이러한 휘발성오일의 손실은 초저온분쇄기술로 정확히 감소되어질 수 있었다.(Pruthi,1980) 기존의 초저온분쇄기술은 -195.6℃의 액체 질소를 이용하여 향료를 예냉하고 분쇄조작동안에 발생한 열을 흡수함으로써 희망했던 저온을 유지하기 위한 냉각을 제공하였다. 또한 저온을 유지하기 위해 액체질소에서 기체질소 상태로의 증발은 향료품질의 개선을 위한 비활성의 건조공기를 만들어 휘발성오일의 손실을 줄임과 동시에 향료의 단위 질량 당 향 농도를 그대로 간직할 수 있게 하였다. 그러나 액체질소와 같은 소모성 가스의 사용은 생산단가의 상승을 유발하여 식품산업과 같이 대량생산과 대량소비산업에서는 가격경쟁력을 확보하기가 어렵다. 또한 Fig.8,9에서와 같은 초저온 분쇄시스템의 구축을 위해서는 특수 재질을 이용한 분쇄장비제작과 대규모 가스저장 시설의 구축이 요구되었다. 그러므로 경제적이며 안정적인 새로운 형식의 저온 분쇄 시스템의 개발이 요구 되어져왔다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 비소모성 냉매를 이용한 냉동공학을 분쇄기술에 접목시키는 저온 분쇄시스템기술이 개발되었다. 이 기술을 활용하면 분쇄부의 온도를 -30℃~-120℃까지 획기적으로 낮출 수 있었고 경제적이며 안정적인 제품생산이 가능하게 되었다.
Fig.10,11은 새롭게 개발된 초미분저온 분쇄시스템에 적용된 냉각시스템 구성도와 실제 제작된 모습을 보여주고 있다. 각 부분을 설명하면 우선 냉동기에서 증발기의 역할은 분쇄기에서 본체와 구동부 그리고 분쇄 시 이용되는 Air chamber → 증발기 저압증기를 압축기의 흡입관까지 옮겨주는 통로인 흡입관 → 냉매 증기의 온도와 압력을 응축 가능하도록 높임과 동시에 냉매순환의 주동력역할을 하는 압축기 → 압축기 토출 관으로부터 나오는 고압,고온의 증기를 응축기까지 운반하는 통로인 고압관 → 고온의 냉매증기로부터 응축매체로 열전달표면을 통해 열을 통과시키는 역할을 하는 응축기 → 응축된 액을 보관하여 필요에 따라서 증발
기에 필요한 액을 일정하게 공급해 주는 수액기 → 수액기로부터 냉매유량 조절기까지 액 냉매를 운반해 주는 통로인 액 관 → 증발기로 들어가는 냉매 액의 유량을 조절하고 액관에 있는 고압의 액체냉매를 필요한 저온도에 상당하는 포화압력까지 저하시켜 바람직한 저온에서 냉매가 증발하도록 하는 냉매 유량조절장치 등으로 구성되어 있다. 향료,기능성 식품재료,한방재 등의 재료가 가진 고유한 성분을 보존,가공하기 위한 방법으로서 초미분저온 분쇄시스템이 이용될 수 있을 것이다.
■ 초미분저온 분쇄시스템의 성능평가
1) 재료의 입도분석
분쇄생성물의 입도분포는 Mie의 광산란 이론을 적용한 Particle Size Analyzer(Malvern Ins. Ltd,Mastersiser-2000,U. K)를 이용하여 분석하였다. 각각의 재료는 Dry dispersion에서 3회 반복하여 얻어진 데이터의 평균값을 이용하여 입자의 입도를 측정하였다. 실험재료별 분석결과는 Table 3과 같다. 버섯류의 경우에 평균입도가 약 7~10㎛의 분포를 나타내었으며 섬유질로 분류되는 감초~인진쑥에서는 6`~24㎛의 평균입도를 나타내었다. 또한 홍삼과 쌀에서는 평균입도가 7~10㎛이하로 나타났다.
2) SEM(Scanning Electron Microscope)을 이용한 재료의 입자형상분석
초미립화에 따른 입자의 형상을 비교하면 버섯류의 경우 Table 3에서와 같이 평균입도의 차이를 SEM을 이용하여 입자의 미립화 경향을 쉽게 비교할 수 있음을 알 수 있다.
특히,대표적 섬유질 재료인 감초는 초미립화 경향을 나타내는 입자의 구형화가 상당히 진행되었음을 알 수 있다.
이와 같이 초미분 저온 분쇄기를 이용하면 d90=10㎛,평균입도 3㎛를 가진 제품생산이 가능함으로서 액체에 고체 콜로이드 분산상으로 존재할 수 있다
일반적으로 다량의 섬유질을 포함한 재료는 시료를 조파쇄 한 후 물에 끓여서 추출된 고형분을 복용하거나,spray 건조 또는 동결 건조 방법으로 건조하여 분말 재료를 생산하고 있는 실정이다. 재래식 방법은 복잡한 생산 공정으로 인하여 재료의 고유한 색,향,풍미 등이 변화,영양성분 및 유효성분의 손실의 증가,추출 공정 후 박이 발생하기 때문에 이러한 문제점은 저온초미분쇄기로 초미분말화 하면,세포막이 파괴되어 수용성이 증가된 초미분말을 다량으로 생산할 수 있음을 알 수 있었다. 이는 식품 산업에서도 나노 기술을 활용할 수 있어서 이를 활용할 범위는 대단히 넓을 것이라고 사료된다.
식품 및 한방 산업에서 이용되어지고 있는 재료들을 저온·초미분쇄기를 사용해서 가공처리하게 되면,물에 용해 할 수 있는 입자의 크기 10㎛이하 콜로이드 분상상인 식이섬유를 대량으로 생산할 수 있다. 그러므로 이러한 나노 기술은 섬유질이 많이 포함되어 있어서 가공하기 매우 어려운 재료를 가공하는 기술에 응용되어질 수 있다. 강한 전단력과 원심력을 이용한 분쇄공정을 통해 섬유소는 분쇄된다.
조직은 팽창해서 밀도가 변화되며 식이섬유는 섬유사이의 결합력이 약해져서 수용화 되어지는 양이 증가한다. 재료의 운동속도가 80~150m/sec인 centrifugal classifier가 장착된 초미세분쇄기는 -20℃~40℃의 저온상태에서 곡물이나 한방재료의 식이섬유 세포벽을 강한 전단력을 이용해서 0.1~10μm 크기의 초미세분말화 시킬 수 있다. 이러한 친수성 콜로이드 분산상의 양이 증가된 분말은 한방산업에서도 일반적으로 물에 용해가 잘 되는 차처럼 음용할 수 있는 양산기술이 확보되었다.
그러므로 이 기술이 식품과 한방산업에 응용되어진다면,현재 이용되고 있는 다른 기술과 비교해서 더 많은 양의 유효성분과 향기성분을 보전시킬 수 있고 색깔도 더 잘 보전시키고,더 많은 수용성 식이섬유를 형성하고,생리활성 물질을 더 많이 추출해 낼 수 있고,더 많은 양의 식이섬유를 콜로이드 분산상으로 만들 수 있을 것이다.
이러한 가공기술을 이용한 상품을 고품질로 대량생산할 수 있어 국제 경쟁력을 갖게 되고,고부가가치화 할 수 있기 때문에 식품산업에서도 나노과학이 응용되어야할 시기가 왔다. 이러한 목표를 달성하기 위해서 한국에너지기술은 지속적인 기술의 연구를 수행 할 것이다.
※문 헌 :한국에너지기술,산업자원부,강원대학교 산학연에 의한 연구결과중의 논문 중 일부 발췌 (논문 중 기술유출 우려 부분 삭제 및 문구 정리,참고 문헌 삭제)
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