KR100372784B1

KR100372784B1 - 고구마 전분박의 액화에 의한 열가소성화 방법

Info

Publication number: KR100372784B1
Application number: KR10-2000-0039828A
Authority: KR
Inventors: 차동수; 박현진
Original assignee: 박현진; 차동수
Priority date: 2000-07-12
Filing date: 2000-07-12
Publication date: 2003-02-17
Also published as: KR20020006261A

Abstract

본 발명은 고구마에서 전분을 추출하고 나서 발생하는 부산물인 고구마 전분박으로 플라스틱을 제조하기 위한 열가소성화 방법에 관한 것으로, 전분박을 구성하는 셀룰로오스 고분자를 열가소성화하기 위하여 고구마 전분박의 1.5 ∼ 3 배 용량의 페놀을 용매로 적용하며 고구마 전분박의 0.02 ∼ 0.05 volume/weight (Vol./Wt.) 의 황산을 촉매로 적용하고 반응온도 150 ∼ 200 ℃, 반응시간 30 ∼ 90 분의 반응조건으로 고구마 전분박을 가열 액화하여 열가소성으로 전환함으로서 가공성을 향상하는 열가소성화 방법에 관한 것이다.

Description

고구마 전분박의 액화에 의한 열가소성화 방법{Thermoplasti zation method in liquefaction of sweet potato pulp}

본 발명에서는 고구마 전분박을 구성하는 셀룰로오스 고분자를 열가소성화하기 위하여 고구마 전분박의 1.5 ∼ 3 배 용량의 페놀을 용매로 적용하며 고구마 전분박의 0.02 ∼ 0.05 Vol./Wt. 의 황산을 촉매로 적용하고 반응온도 150 ∼ 200 ℃, 반응시간 30 ∼ 90 분의 반응조건으로 고구마 전분박을 가열 액화하여 열가소성으로 전환하는 열가소성화 방법이 제공된다.

고구마 전분을 생산하는 과정에서 고구마에서 전분을 추출하고 나서 얻어지는 부산물인 전분박이 고구마 중량의 약 30 %정도 발생한다. 고구마 전분박은 수분을 80 %이상 함유하고 있기 때문에 장기간 저장할 경우에는 셀룰로오스(섬유질)가 분해되어 발생하는 잔류 당분에 의해 변색과 부패현상이 일어나서 위생 및 환경문제를 야기한다. 이제까지의 고구마 전분박의 처리는 가축 사료와 비료로서 약간 이용하고 있을 뿐이고 주로 토양매립과 해양투기의 방법으로 처리하고 있으므로 토지의 활용도를 저하시키고 환경오염의 원인이 되며 처리 비용이 많이 소요되므로 비경제적이기 때문에 적극적인 활용 방안이 필요하다.

수분이 제거된 고구마 전분박은 주로 셀룰로오스로 구성된 천연고분자이다. 상기 셀룰로오스 고분자를 구성하는 모노머는 베타-디-글루코파이라노제(β-D-glucopyranose)이며, 셀룰로오스 고분자는 상기 글루코파이라노제 모노머의 주쇄의 1번 탄소와 4번 탄소에 붙어있는 수산기(-OH)가 탈수반응을 일으켜서 축합되는 베타-디-글루코파이라노제 가교(β-D-glucopyranose linkage) 형태로 가교결합된 고분자이다. 셀룰로오스 고분자는 단사정계(monoclinic system), 평행쇄(parallel packing)의 결정구조를 형성하고 있기 때문에 융점에 도달하기 전에 열분해가 일어나는 성질을 지니고 있고 특히, 열경화성을 지니고 있기 때문에 가공성이 매우 낮아서 플라스틱 재료로 활용하기 어렵다는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 페놀을 용매로 적용하며 황산을 촉매로 적용하고 일정한 반응온도와 반응시간으로 고구마 전분박을 가열 액화함으로써 고구마 전분박을 구성하는 열경화성 셀룰로오스 고분자를 열가소성으로 전환하여 가공성을 향상시킴으로서 플라스틱의 원료로 활용할 수 있게 하는 고구마 전분박의 열가소성화 방법을 제공하는데 있다.

셀룰로오스 고분자의 열가소성화는 고구마 전분박의 액화상태에서 진행되고 열가소성화도는 고구마 전분박의 액화율에 따라 결정되기 때문에 셀룰로오스 고분자의 열가소성화도를 향상시키기 위해서는 고구마 전분박의 액화 반응에서의 액화율을 향상시켜야 한다.

고분자 전분박을 구성하는 셀룰로오스 고분자를 열가소성으로 전환하기 위해서는 셀룰로오스 고분자의 주쇄를 구성하는 탄소 원자들에 형성된 작용기를 열가소성이 탁월한 작용기로 치환해야 하며, 그러기 위해서는 무기산을 적용하여 셀룰로오스 고분자를 주쇄를 절단하고, 용매를 적용하여 치환 반응을 일으켜서 셀룰로오스 고분자의 주쇄를 구성하는 탄소 원자들에 반응성이 우수한 작용기를 형성해야 한다.

고구마 전분박의 1.5 ∼ 3 배 용량의 페놀을 고구마 전분박의 액화 반응에서의 용매로 적용하며 고구마 전분박의 0.02 ∼ 0.05 Vol./Wt. 의 황산을 촉매로 적용하고 반응온도 150 ∼ 200 ℃, 반응시간 30 ∼ 90 분의 반응조건으로 고구마 전분박을 가열 액화하여 열가소성화하는 고구마 전분박의 열가소성화 방법이 제공된다.

고구마 전분박을 구성하는 셀루로오스 고분자를 열가소성으로 전환하는 액화반응에 있어서 황산, 염산, 질산 등의 각종 무기산을 촉매로 적용하는 것이 가능하지만, 본 발명에서 황산을 촉매로 적용하는 것은 황산이 셀룰로오스 고분자의 주쇄를 절단시키는 촉매 작용이 가장 탁월하기 때문이다. 또한, 상기 셀루로오스 고분자의 액화 반응에 있어서 페놀, 고급 알코올, 글리콜, 케톤류 등을 용매로 적용하는 것이 가능하지만, 본 발명에서 페놀을 용매로 적용하는 것은 황산 촉매에 의해 절단된 셀룰로오스 고분자 주쇄의 탄소 원자에 에스테르화 반응을 일으켜서 열가소성이 탁월한 에스테르기를 형성하는 작용이 가장 탁월하기 때문이다.

고구마 전분박의 액화 반응에서 전분박의 주성분인 셀룰로오스 고분자는 촉매인 황산에 의해서 주쇄가 절단되고 용매인 페놀에 의해 용해되어 상기 주쇄의 탄소 원자들에서 에스테르화 반응이 일어난다. 황산 촉매는 셀룰로오스 고분자의 주쇄인 글루코사이딕 본드(glucosidic bond)를 용이하게 절단하며, 절단된 셀루로오스 고분자의 주쇄에 반응성이 우수한 수산기가 형성된다. 페놀 분자는 상기 글루코사이딕 본드의 수산기(-OH)와 치환 반응하여 상기 글루코사이딕 본드의 탄소 원자들에 에스테르기를 형성함으로서 셀룰로오스 고분자를 열가소성으로 전환시킨다.

고구마 전분박의 열가소성화 과정에서 촉매인 황산은 고구마 전분박의 0.02 ∼ 0.05 Vol./Wt.가 적용된다. 황산의 용량이 고구마 전분박의 0.02 Vol./Wt. 미만이면 셀룰로오스 고분자 주쇄의 절단 작용이 제대로 일어나지 않으며, 고구마 전분박의 0.05 Vol./Wt. 를 초과하면 셀룰로오스 고분자 주쇄가 과다하게 절단되어 세룰로오스 고분자의 분자량과 물성이 저하된다.

용매인 페놀은 고구마 전분박의 1.5 ∼ 3 배 용량이 적용된다. 페놀의 용량이 고구마 전분박의 1.5 배 미만이면 용매 부족으로 인하여 고구마 전분박이 완전히 용해되지 않으며, 고구마 전분박의 3 배를 초과하면 고구마 전분박의 액화 반응에서의 액화율이 더이상 증가되지 않는다.

고구마 전분박의 액화 반응에서 반응온도는 150 ∼ 200 ℃로 설정된다. 액화 반응에서의 반응온도가 150 ℃ 미만이면 셀룰로오스 고분자 주쇄의 에스테르화 반응이 제대로 일어나지 않아서 고구마 전분박의 액화율이 저하되며, 반응온도가 200 ℃를 초과하면 고온으로 인하여 셀룰로오스 고분자가 열화되며 액화율이 더이상 증가되지 않는다.

고구마 전분박의 액화 반응에서 반응시간은 30 ∼ 90 분으로 설정된다. 액화 반응에서 반응시간이 30 분 미만이면 액화반응의 시간 부족으로 셀룰로오스 고분자 주쇄의 에스테르화 반응이 충분히 일어나지 않으므로 고구마 전분박의 액화율이 저하되며, 반응시간이 90 분을 초과하면 에스테르화 반응이 사실상 종료되어 고구마 전분박의 액화 반응에서 액화율이 더이상 증가되지 않는다.

본 발명의 실시예는 다음과 같다.

< 실시예 1 >

1. 고구마 전분박의 준비

고구마로부터 전분을 추출하고 나서 발생하는 고구마 전분박을 준비한다. 상기 고구마 전분박이 부패되지 않도록 건조 장치에서 건조하고 분쇄기에서 분쇄하여 분말화한다. 상기 고구마 전분박 분말을 100 메쉬 규격으로 체질하여 고구마 전분박의 미세 분말을 형성한다. 상기 미세 분말을 다시 건조 장치에서 105 ℃의 온도로 일정 시간동안 건조하여 수분을 완전히 제거하고 데시게이터에서 냉각한다.

2. 고구마 전분박의 액화반응

일정한 양의 고구마 전분박의 미세 분말과 상기 미세 분말의 0.03 Vol./Wt. 의 황산과 상기 미세 분말의 1.5 배 용량의 페놀을 반응기에 차례로 투입하고 일정한 속도로 교반하면서 175 ℃의 반응온도와 30분의 반응시간동안 가열 액화하여 고구마 전분박의 반응시료를 제조한다.

3. 반응시료의 여과

가열 액화되어 생성된 반응시료를 고구마 전분박의 분말의 25 ∼ 40 배 용량의 아세톤으로 희석하고, 희석된 반응시료를 1G4 글래스 필터(Iwaki TF-32)를 적용하여 감압여과하고, 상기 글래스 필터에 잔류된 미반응 전분박 잔사를 수거한다.

4. 전분박 잔사의 건조 및 액화율의 계산

수거된 미반응 전분박 잔사를 건조 장치에서 105 ℃의 온도로 12 시간동안 건조하여 용매류와 촉매를 완전히 제거한다. 건조된 미반응 전분박 잔사의 중량을 측정하고 다음 식에 의거하여 고구마 전분박의 액화율을 계산한다.

고구마 전분박의 액화율 (%) = (1 - W_r/W₀) × 100

W₀: 액화되기 전의 전분박의 중량

W_r: 잔류된 전분박 잔사의 중량

5. 열가소성화된 고구마 전분박의 분리

반응시료의 여과과정에서 글래스 필터를 통과한 고구마 전분박의 액화 용액에 10 % 수산화나트륨용액을 가하여 pH 6.5 ∼ 7.0 으로 중화 처리한다. 상기 중화 처리된 고구마 전분박의 액화 용액을 로터리 이베이퍼레이터에 주입하고, 상기 로터리 이베이퍼레이터를 액화 용액을 100 ℃의 온도로 고정시킨 오일 배스에 거치하고 감압증류하여 미반응된 페놀을 제거함으로서 고구마 전분박의 액화 용액을 농축한다. 농축된 고구마 전분박의 액화 용액을 일반적인 건조 장치에서 완전히 건조하여 용매를 제거하고, 분쇄기에서 분쇄하여 분말화함으로서 열가소성화된 고구마 전분박을 분리한다.< 실시예 2 >고구마 전분박의 액화반응에서 고구마 전분박의 미세 분말의 2.5 배 용량의 페놀을 용매로 적용하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하다.< 실시예 3 >고구마 전분박의 액화반응에서 70 분의 반응시간동안 가열 액화하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하다.< 실시예 4 >고구마 전분박의 액화반응에서 고구마 전분박의 미세 분말의 2.5 배 용량의 페놀을 용매로 적용하고 70 분의 반응시간동안 가열 액화하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하다.< 실시예 5 >고구마 전분박의 액화반응에서 고구마 전분박의 미세 분말의 2.0 배 용량의 페놀을 용매로 적용하고 150 ℃의 반응온도로 50 분의 반응시간동안 가열 액화하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하다.< 실시예 6 >고구마 전분박의 액화반응에서 고구마 전분박의 미세 분말의 2.0 배 용량의 페놀을 용매로 적용하고 200 ℃의 반응온도로 50 분의 반응시간동안 가열 액화하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하다.< 실시예 7 >고구마 전분박의 액화반응에서 고구마 전분박의 미세 분말의 2.0 배 용량의 페놀을 용매로 적용하고 150 ℃의 반응온도로 90 분의 반응시간동안 가열 액화하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하다.< 실시예 8 >고구마 전분박의 액화반응에서 고구마 전분박의 미세 분말의 3.0 배 용량의 페놀을 용매로 적용하고 150 ℃의 반응온도로 50 분의 반응시간동안 가열 액화하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하다.< 비교예 1 >고구마 전분박의 액화반응에서 125 ℃의 반응온도로 30 분의 반응시간동안 가열 액화하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하다.< 비교예 2 >고구마 전분박의 액화반응에서 고구마 전분박의 미세 분말의 2.5 배 용량의 페놀을 용매로 적용하고 125 ℃의 반응온도로 30 분의 반응시간동안 가열 액화하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하다.< 비교예 3 >고구마 전분박의 액화반응에서 125 ℃의 반응온도로 70 분의 반응시간동안 가열 액화하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하다.< 비교예 4 >고구마 전분박의 액화반응에서 고구마 전분박의 미세 분말의 2.5 배 용량의 페놀을 용매로 적용하고 125 ℃의 반응온도로 70 분의 반응시간동안 가열 액화하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하다.< 비교예 5 >고구마 전분박의 액화반응에서 고구마 전분박의 미세 분말의 2.0 배 용량의 페놀을 용매로 적용하고 100 ℃의 반응온도로 50 분의 반응시간동안 가열 액화하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하다.< 비교예 6 >고구마 전분박의 액화반응에서 고구마 전분박의 미세 분말의 2.0 배 용량의 페놀을 용매로 적용하고 150 ℃의 반응온도로 10 분의 반응시간동안 가열 액화하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하다.< 비교예 7 >고구마 전분박의 액화반응에서 고구마 전분박의 미세 분말의 1.0 배 용량의 페놀을 용매로 적용하고 150 ℃의 반응온도로 50 분의 반응시간동안 가열 액화하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하다.

상기 실시예와 비교예의 반응조건에 의하여 액화 처리된 고구마 전분박의 액화율을 표 1에 나타낸다.

< 표 1 > 고구마 전분박의 액화 반응에서 반응조건에 따른 전분박의 액화율

구분	반응온도 (℃)	반응시간 (분)	페놀/전분박 비	전분박 액화율(%)
실시예 1	175	30	1.5	80.23
실시예 2	175	30	2.5	81.48
실시예 3	175	70	1.5	81.81
실시예 4	175	70	2.5	81.38
실시예 5	150	50	2.0	71.35
실시예 6	200	50	2.0	82.12
실시예 7	150	90	2.0	76.93
실시예 8	150	50	3.0	77.37
비교예 1	125	30	1.5	50.35
비교예 2	125	30	2.5	54.69
비교예 3	125	70	1.5	60.27
비교예 4	125	70	2.5	62.45
비교예 5	100	50	2.0	17.55
비교예 6	150	10	2.0	44.73
비교예 7	150	50	1.0	50.27

표 1에서 나타난 바와 같이 고구마 전분박의 액화 반응에서 고구마 전분박의 1.5 ∼ 3 배 용량의 페놀을 용매로 적용하며 고구마 전분박의 0.02 ∼ 0.05 Vol./Wt. 의 황산을 촉매로 적용하고 반응온도 150 ∼ 200 ℃, 반응시간 30 ∼ 90 분의 반응조건으로 고구마 전분박을 가열하여 액화하는 경우에는 전분박의 액화율이 70 %를 상회하여 열가소성화도가 우수하며, 비교예에서와 같이 상기한 반응조건을 벗어나는 경우에는 전분박의 액화율이 저하되어 열가소성도가 낮아진다는 것을 알 수 있다.

본 발명에 의한 고구마 전분박의 열가소성화 방법은 고구마 전분 제조과정에서의 부산물인 고구마 전분박의 주성분인 셀룰로오스 고분자의 열경화성을 열가소성으로 전환함으로서 가공성이 우수한 플라스틱을 제조하게 하여 폐기물을 재활용할 수 있고 전분박 처리비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 종래의 처리방법인 토양매립과 해양투기에 따른 환경문제를 해결할 수 있다.

Claims

고구마에서 전분을 추출하고 나서 발생하는 부산물인 고구마 전분박을 플라스틱으로 전환하는 공정에 있어서,

고구마 전분박을 구성하는 셀룰로오스 고분자를 열경화성에서 열가소성으로 전환하기 위하여 고구마 전분박의 1.5 ∼ 3 배 용량의 페놀을 용매로 적용하며 고구마 전분박의 0.02 ∼ 0.05 Vol./Wt. 의 황산을 촉매로 적용하고 반응온도 150 ∼ 200 ℃, 반응시간 30 ∼ 90 분의 반응조건으로 고구마 전분박을 가열 액화하는 것을 특징으로 하는 고구마 전분박의 액화에 의한 열가소성화 방법.