KR100506905B1 - 원심 추출 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 조밀상 기체 또는 초임계 유체(조밀상 용매)를 사용하여 액체로부터 성분들을 추출시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법에서는, 회전 혼합기에서 액체 및 조밀상 용매를 접촉시켜 조밀상 용매내로 목적하는 분획을 용해시킴으로써 충전된 용매를 형성시킨다. 추가로, 혼합기는 잔류 라피네이트로부터 충전된 용매를 분리시킨다. 그 다음, 회전 혼합기는 충전된 용매 및 라피네이트를 배출시킨다. 충전된 용매상의 압력의 감소는 충전된 용매를 기체 및 목적하는 분획으로 전환시켜 목적하는 분획을 기체로부터 유리시킨다.

Description

원심 추출 방법 {CENTRIFUGAL EXTRACTION PROCESS}

본 발명은 원심 추출기를 이용하여 액체로부터 목적하는 분획을 분리하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.

조밀상(즉, 초임계 유체 또는 액화 기체)을 갖는 용매를 사용한 추출 방법은 50년 동안 상업적으로 이용되어 왔다. 고체 물질로부터의 추출은, 추출을 다시 시작하기 전에 추출 용기를 감압, 탈부하, 재부하 및 재가압시키기 위해 추출 공정을 주기적으로 중단시키는 회분 방식으로 수행되어 왔다. 추출열로부터 단일 용기가 주기적으로 분리되는, 일렬로 된 다수의 회분 추출 용기는 손실 공정 시간을 감소시키지만 아예 제거하지는 못한다. 예를 들어, 카즐라스(Kazlas) 등의 U.S. 특허 제 5,288,511호 및 제 5,312,635호에는 회분 방식으로 초임계 이산화탄소를 사용하여 산성화된 커피의 카페인을 제거하고 튀김 식품으로부터 오일을 제거하는 방법이 기술되어 있다.

연속 추출법에 사용되는 공정 장치는 저압 증류 또는 액체-액체 추출에 사용되는 것과 유사한 수직 원통형 칼럼으로 구성된다. 이 장치는 회분 또는 연속 방식으로 작동하여 다양한 공급원으로부터의 성분들을 추출한다.

조밀상 용매를 이용한 액체의 추출에 있어서 생산률을 증가시키는 문제에 대한 종래의 해결책은 수직형 실린더 칼럼 내에 다양한 분배기를 적용하는 것에 제한되었다. 더욱 최근에 시도책이 히라타(Hirata) 등의 U.S. 특허 제 4,956,052호에 기술되어 있다. 액체-액체 추출에서와 같이, 상이한 분배기의 사용은 연속상의 수직 순환을 감소시키고 분산된 상과 연속상 사이의 계면 접촉을 크게 촉진시킨다. 그러나, 이러한 해결책 모두는 상이한 밀도를 갖는 액체의 역류를 일으키는 중력에 의해 제한된다.

종래의 해결책에도 불구하고, 조밀상 용매 추출 방법의 상업적인 이용과 관련된 문제점은 대안적인 추출 방법에 비해 여전히 공정 비용이 높다는 것이다. 이러한 높은 공정 비용은, 주로 자본 집약적인 공정 설비의 제한된 생산률로 인해, 조밀상 추출 방법의 적용을 고부가가치성 제품으로 제한시켰다.

이들 제품은 보편적으로 소규모로, 그리고 소수의 가공업자에 의해 생산되어 본래부터 상기 기술의 광범위한 이용을 제한한다. 증가된 생산률로 공정 비용을 감소시키는 추출 방법은 상기 기술의 이용을 광범위한 제품으로 확장시키는 것을 용이하게 할 것이다.

원심 추출기, 예컨대 포드비엘니악(Podbielniak) 및 웨스트팔리아 (Westfalia) 추출기는 액체-액체 추출 시스템의 생산력을 증가시키며, 분리를 위한 구동력으로서 중력의 한계를 극복한다. 예를 들어, 포드비엘니악의 U.S. 특히 제 2,044,996호는 2가지 유체상의 다단계 역류 접촉의 이점과 소형 컴팩트 디바이스에서 다량의 물질을 빠르게 처리하는 원심 분리능의 이점을 조합한 것이다. 유사하게, 웸(Wem)의 U.S. 특허 제 4,382,900호에는 추출기에서의 기체/액체 투과성 물질의 환형 패킹에 의존하는 기체-액체 원심 장치가 기술되어 있다. 상기 추출기는 회전하여 원심력을 이용하여 투과성 물질을 통해 방사상 바깥쪽으로 액체를 내보내, 이것이 분리 챔버를 통해 배출되기 전에 기체와 만난다. 유사하게, 기체는 액체와 투과성 물질을 통과하고 기체 배출구를 통해 배출된다. 이러한 원심 추출기는 액체-액체 및 기체-액체 시스템 만을 이용하여 작동된다.

종래 기술의 문제점 및 결점을 고려하여, 본 발명의 목적은 생산률을 증가시킴으로써 공정 비용을 감소시키는 추출 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 소형의 컴팩트 디바이스에서 다량의 액체를 조밀상 유체로 연속적으로 처리할 수 있게 하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 기타 다른 목적 및 장점들은 발명의 상세한 설명으로부터 자명해질 것이다.

당업자에게 자명한 상기 및 기타 다른 목적 및 장점들은 본 발명에 의해 달성되며, 본 발명의 제 1일은, 액체로부터 성분들을 추출하는 방법에 관한 것이다. 먼저, 추출하려는 목적하는 분획을 함유하는 액체 및 목적하는 분획을 추출하기 위한 조밀상 용매가 제공된다. 조밀상 용매는 초임계 유체 및 액화된 기체로 이루어진 군으로부터 선택된다. 이 용매는 상기 액체와 밀도가 상이하다. 그 다음, 회전 혼합기에서 액체와 조밀상 용매를 접촉시켜 충전된 용매를 형성시킴으로써 조밀상 용매내로 목적하는 분획을 용해시킨다. 추가로, 혼합기는 원심력을 이용하여 잔류 라피네이트로부터 충전된 용매를 분리시킨다. 혼합기는 조밀상 용매에 용해된 목적하는 분획을 유지시키기에 충분한 내압으로 작동한다. 그 다음, 회전 혼합기는 충전된 용매 및 라피네이트를 배출시킨다. 마지막으로, 충전된 용매에 대한 감압은 충전된 용매를 기체 및 목적하는 분획으로 전환시켜 기체로부터 목적하는 분획을 유리시킨다.

본 발명의 신규 특징 및 본 발명에 특징적인 요소들은 첨부되는 청구범위에 구체적으로 제시되어 있다. 도면은 단지 예시의 목적으로 제시된 것이며, 본 발명을 제한하려는 것은 아니다. 그러나, 본 발명은 작동 방법 및 구성 모두와 관련하여, 첨부되는 도면을 이용한 상세한 설명에 의해 가장 잘 이해될 수 있다.

본 발명의 바람직한 구체예는 도면의 도 1 및 도 2와 관련하여 설명될 것이며, 도 1 및 도 2에서의 부호는 본 발명의 유사한 특징부를 나타내는 것이다. 본 발명의 특징부는 도면에서 비율에 따라 도시될 필요는 없다.

본 발명은 용매를 조밀상으로 유지시키기에 충분한 압력 하에서 작동하도록 변형된 원심 추출기에 좌우되는 조밀상 추출 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 조밀상은 액화된 기체, 초임계 유체 및 이들을 함유하는 혼합물을 포함한다. 원심 추출기의 공정상 이점을 이용함으로써, 조밀상 유체 용매의 특유한 추출 성질을 추가로 개선시킬 수 있음이 뜻밖에 발견되었다. 본 발명은 원심 추출기에서 다량의 액체를 조밀상 유체로 연속적으로 처리하는 것을 가능하게 한다.

예를 들어, 본 발명의 조밀상 추출 방법 및 장치가 적용될 수 있는 다양한 액체에는 가소제 회수물, 단량체 정제물, 미세한 화학 생성물, 맛 추출물 및 향 추출물이 포함된다. 이들 액체의 밀도는 일반적으로 약 0.6 내지 1.6 g/cc 이다.

앞서 언급된 생성 유체중의 분획 또는 불순물에 대한 추출제로서 이용되는 다양한 조밀상 용매의 예로는 액화된 이산화탄소, 초임계 이산화탄소, 암모니아, 에탄, 에틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄, 그 밖의 탄화수소 기체, 산화 질소, CFCl₃, CF₃Cl, 그 밖의 할로겐화된 탄화수소 및 이들의 혼합물이 포함된다. 이들 용매의 밀도는 일반적으로 0.3 내지 1.0 g/cc 이다.

여러가지 시스템에 있어서 바람직한 조밀상 용매는 초임계 이산화탄소이다. 이산화탄소를 액화 압력으로 압축시킴으로써 액체 이산화탄소는 삼중점인 -56.6℃와 임계점인 31℃ 사이의 어느 온도에서나 존재한다. 약 0 내지 30℃의 온도에서, 액화 압력은 5.5 MPa(505 psia) 내지 7.2 MPa(1046 psia) 이다. 유리하게는, 이산화탄소 용매는 약 5MPa(750 psia) 이상의 액화 압력으로 작동한다. 가장 유리하게는, 이산화탄소 용매는 초임계 유체로서 작동한다. 초임계 이산화탄소는 31℃ 이상의 온도 및 약 7.4 MPa(1070.16 psia) 이상의 압력에서 존재한다. 초임계 이산화탄소(다른 초임계 용매와 유사)는 액체도 아니고 증기도 아니지만, 일부 용매 및 각각의 이동물성을 조합한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 작동 방식으로 특정 이점을 갖는 것으로 밝혀진 변형된 원심 추출기를 예시하고 있다.

원심 추출기 본체(10)는 레그(14, 16)로 지지된 실린더형 하우징(12)으로 구성된다. 하우징(12)의 내부에서, 회전가능한 혼합기 또는 원심분리기(18)가 수평축(20)에 대해 회전한다. 원심분리기(18)은 천공 또는 개구를 갖는 수많은 일정 간격의 동심 실린더(22)를 포함한다. 실린더들 사이에, 이로써 형성된, 축(20) 근처에서부터 하우징(12)의 주변 근처까지 일렬로 서로 연결된 다수의 개별적인 혼합 영역 또는 챔버(25)가 존재한다.

대부분의 추출 방법에 있어서, 조밀상 용매는 가벼운 상(light phase) 도관 또는 유입구(24)로 유입되고 액체는 무거운 상(heavy phase) 유입구(26)으로 유입되어 추출기에 공급되며, 용매가 액체보다 밀도가 더 큰 경우에는, 용매가 유입구(26)로 유입되고 액체는 유입구(24)로 유입된다. 원심분리기를 이용하여 액체로부터 조밀상을 효과적으로 분리하기 위해서, 유체의 밀도는 상이해야 한다. 원심분리기를 회전시키면, 용매 및 액체는 동심 실린더(22) 사이의 챔버(25)를 통해 반대 방향으로 흐르게 된다. 고밀도의 유체는 주변을 흐르고 저밀도의 용매는 안쪽으로 이동한다. 유체가 동심 실린더 내부에서 이동함에 따라, 용매는 액체와 접촉하여 액체로부터의 목적하는 분획 또는 성분을 용해시키거나 추출하고, 충전된 용매 및 라피네이트를 형성시킨다.

충전된 용매가 원심 추출기(22)의 주변에 도달한 후에, 고밀도 배출구(28)를 통해 배출된다. 유사하게, 라피네이트는 배출관(30)을 통해 원심분리기의 중심 근처에서 배출된다. 이것은 액체로부터 분획의 추출을 완성시킨다. 일부 추출 방법에서, 원래 추출되지 않은 분획의 추가 추출을 위해서 추출기를 통해 라피네이트를 재순환시키거나 다수의 원심분리기를 일렬로 연결시키는 것이 유용하다.

액체 및 용매가 고정축에서 회전축으로 유입되기 때문에, 이들 유체들은 각각 기계식 밀봉부를 통과한다. 불행하게도, 액화된 기체 또는 초임계 유체에 용해된 목적하는 분획을 유지시키기에 필요한 추출 압력에서 추출기를 작동시키는 경우, 이들 밀봉부가 새는 경향이 있다. 그러므로, 추출기는 고압 유체에 대해서 특수하게 고안된 밀봉부를 필요로 한다. 추가로, 초임계 이산화탄소와 같은 강한 용매를 사용하는 경우에, 용매에 대해 내성인 실리콘 밀봉부 또는 다른 물질을 사용하는 것이 중요하다.

임의로, 압력 용기(40)는 원심 추출기를 전체를 수용한다. 펌프(42)는 밸브(44) 및 도관(46)을 통해 공기, 이산화탄소, 불활성 기체 및 질소와 같은 적합한 기체를 이용하여 전체 하우징(12)을 가압시킨다. 전체 원심분리기를 가압하면 밀봉부에서의 압력차가 감소하여, 밀봉부는 이들의 본래 설계 능력 이상의 내압으로 작동하게 된다. 추가로, 전체 용기를 압력 챔버에 두므로써 작업자는 상이한 용매에 대해서 상이한 수준으로 압력을 설정할 수 있다. 챔버 내부에서 압력을 "램핑 업(ramping up)"시키는 경우, 추출기 내부의 압력을 압력 챔버 내부의 압력에서와 유사한 비율로 증가시키는 것이 중요하다. 유입 라인(24, 26)과 도관(46) 사이의 임의의 스윙 밸브(예시되지 않음)는 압력차를 최소화시킨다.

작동 과정에서, 원심 추출기의 회전 속도를 조정하므로써 유체 간의 분리력을 측정한다. 그러나, 회전 속도의 증가는 챔버에서의 유체의 혼합 정도를 감소시킬 수 있다. 그러므로, 각각의 액체 추출 시스템에 있어서, 액체로부터의 추출을 최대화시키는 속도로 원심분리기를 회전시키는 것이 중요하다.

소규모 회분 작동에 있어서, 압력 챔버 내부에 액체 공급물 및 조밀상 용기를 두는 것이 가능하다. 그러나, 연속적이고 대규모의 작동에 있어서, 유입구(24, 26)를 통해 가압된 스트림을 공급하고 배출구(28, 30)를 통해 가압된 스트림을 제거하는 것은 다량의 액체로부터의 효과적인 추출을 가능하게 한다.

도 2에 있어서, 조밀상 용매(유용하게는, 액체 또는 초임계 상중의 조밀상 용매)는 공급 또는 저장 용기(55)에서 도관(50a)을 통해 펌프(60)로 흐르며, 펌프(60)에서의 압력은 목적하는 작동 압력으로 조정된다. 그 다음, 압축된 조밀상 용매는 펌프(60) 배출구에서 도관(50b)을 통해 사전가열기(65)로 흐른다. 사전가열기는 용매의 온도를 목적하는 작동 온도로 조정시킨다. 그 다음, 가열된 용매는 도관(50c)을 통해 원심분리기(10)의 주변 근처에 정위되어 있는 가벼운 액체상 유입구내로 흐른다. 액체 공급물은 저장 용기(70)로부터 도관(50d)을 통해 펌핑되고 원심분리기의 중심축 근처에 위치한 무거운 액체상 유입구를 통해 원심 추출기(10)로 유입된다. 생성 액체 및 조밀상 유체의 2개 스트림은 이전에 기술된 바와 같이, 원심력에 의해 역류 방식으로 흐른다. 결과적으로, 액체의 목적하는 분획이 조밀상 용매에 용해된다. 일부 분획이 분리된 액체 공급물은 드럼 주변에 인접하여 위치한 배출기를 통해, 그리고 무거운 상 배출구를 통해 라피네이트(75)로서 원심 추출기를 빠져나가며, 일부 추출 공정에서, 라피네이트는 목적하는 최종 생성물을 의미한다. 높은 내압에서 원심분리기를 작동시키는 경우, 라피네이트는 유리하게는 압력 감소 밸브(80)를 통해 흐른다. 액체 공급물로부터 용해된 분획을 함유하는 조밀상 유체 용매는 드럼의 중심 근처에 있는 배출구에서 원심 추출기를 빠져 나가며 가벼운 상 배출구를 통과한다.

충전된 조밀상 용매는 도관(50e)을 통해 압력 감소 밸브(85)를 가로질러 도관(50f)을 통해 분리 용기(90)로 전달된다. 이 용기는 충전된 조밀상 용매의 압력을 감소시켜 충전된 조밀상 용매를 저밀도의 기체로 전환시킨다. 이러한 분리 압력에서, 유리된 기체는 추출물을 남겨두고 이전에 용해된 물질로부터 분리된다. 시스템은 도관(50g)을 통해 추출물을 제거한다. 일부 분획이 분리된 용매상은 도관(50h)을 통해 기체로서 분리 용기를 빠져 나온다. 그 다음, 열 교환기(95)는 기체를 이것의 액화된 상 또는 초임계 상으로 응축시킨다. 그 다음, 응축된 기체는 도관(50i)을 통해 후속 추출을 위해서 저장 용기(55)로 이동한다. 그 다음, 펌프(60)은 반복 추출을 위해 사전가열기(65)를 통해 상기 응축된 기체를 재순환시킨다.

이와 같이, 본 발명에 따라, 소형의 컴팩트 디바이스에서 다량의 액체를 조밀상 유체로 연속적으로 처리하는 방법 및 장치를 제공하여, 앞서 언급된 목적이 달성되었고 뜻밖의 이점이 제공되었다. 부가적으로, 본 발명은 증가된 생산률로 인해 공정 비용을 감소시키는 추출 방법 및 장치를 제공한다.

본 발명은 특정의 바람직한 구체예와 관련하여 구체적으로 설명되었을지라도, 다양한 대안, 변형 및 변화가 상기 상세한 설명의 견지에서 당업자들에게 자명할 것이다. 그러므로, 첨부된 청구범위는 이러한 대안, 변형 및 변화를 본 발명의 실제 범위 및 사상 내에서 포함하는 것으로 숙고된다.

도 1은 원심 추출기의 단면을 부분적으로 도시한 개략도이다.

도 2는 액화 기체 및 초임계 유체를 이용하여 분획을 분리하기 위한 원심 추출기 장치 및 이의 작동을 도시한 개략도이다.

Claims (10)

1. a) 추출하려는 목적하는 분획을 함유하는 액체를 제공하는 단계;

   b) 초임계 유체 및 액화된 기체로 이루어진 군으로부터 선택되고, 상기 액체와 밀도가 상이한, 목적하는 분획을 추출하기 위한 조밀상 용매를 제공하는 단계;

   c) 회전 혼합기에서 액체와 조밀상 용매를 접촉시켜 목적하는 분획을 조밀상 용매에 용해시킴으로써 충전된 용매를 형성시키고, 원심력에 의해 잔류 라피네이트로부터 충전된 용매를 분리시키고, 회전 혼합기를, 조밀상 용매를 조밀상으로 유지시키기에 충분하고 조밀상 용매에 용해된 목적하는 분획을 유지시키기에 충분한 내압으로 작동시키는 단계;

   d) 회전 혼합기로부터 충전된 용매 및 라피네이트를 배출시키는 단계; 및

   e) 충전된 용매상의 압력을 감소시켜 충전된 용매를 기체 및 목적하는 분획으로 전환시키고 기체로부터 목적하는 분획을 유리시키는 단계를 포함하여, 액체로부터 성분들을 추출시키는 방법.
2. 제 1항에 있어서, 액체의 밀도가 0.6 내지 1.6 g/cc 임을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1항에 있어서, 조밀상 용매의 밀도가 0.3 내지 1.0 g/cc 임을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1항에 있어서, 충전된 용매로부터 목적하는 분획을 분리시킨 후에, 기체를 가압시켜 다시 조밀상 용매로 전환시키고, 전환된 조밀상 용매를 회전 혼합기내로 재순환시키는 단계를 추가로 포함함을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1항에 있어서, 회전 혼합기가 다수의 상호 연결된 챔버를 구비하고, 이 챔버들내에서 접촉이 일어남을 특징으로 하는 방법.
6. a) 추출하려는 목적하는 분획을 함유하는 액체를 제공하는 단계;

   b) 상기 액체와 밀도가 상이한, 목적하는 분획을 추출하기 위한 초임계 이산화탄소 용매를 제공하는 단계;

   c) 회전 혼합기에서 액체와 초임계 용매를 접촉시켜 목적하는 분획을 초임계 용매에 용해시킴으로써 충전된 용매를 형성시키고, 원심력에 의해 잔류 라피네이트로부터 충전된 용매를 분리시키고, 회전 혼합기를, 초임계 용매를 초임계상으로 유지시키기에 충분하고 초임계 용매에 용해된 목적하는 분획을 유지시키기에 충분한 내압으로 작동시키는 단계;

   d) 회전 혼합기로부터 충전된 용매 및 라피네이트를 배출시키는 단계; 및

   e) 충전된 용매상의 압력을 감소시켜 충전된 용매를 이산화탄소 기체 및 목적하는 분획으로 전환시키고 이산화탄소 기체로부터 목적하는 분획을 유리시키는 단계를 포함하여, 액체로부터 성분들을 추출시키는 방법.
7. 제 6항에 있어서, 이산화탄소 기체를 가압시켜 다시 초임계 용매로 전환시키고, 전환된 초임계 용매를 회전 혼합기내로 재순환시키는 단계를 추가로 포함함을 특징으로 하는 방법.
8. 제 6항에 있어서, 회전 혼합기가 중심 근처에서 주변 근처까지 연장하는 다수의 상호 연결된 챔버를 갖고, 이 챔버들내에서 접촉이 일어남을 특징으로 하는 방법.
9. 추출하려는 목적하는 분획을 함유하는 액체를 공급하기 위한 유입관;

   목적하는 분획을 추출하기 위해, 초임계 유체 및 액화된 기체로 이루어진 군으로부터 선택되는 조밀상 용매를 공급하기 위한 공급 용기;

   유입관 및 공급 용기에 연결되고, 액체 및 조밀상 용매를 수용하기 위한 유입구를 갖는 원심분리기를 구비한 회전가능한 혼합기, 조밀상 용매를 조밀상으로 유지시키기에 충분하고 조밀상 용매에 용해된 목적하는 분획을 유지시키기에 충분한 추출 압력에서 충전된 용매로서 조밀상 용매내로 목적하는 분획을 용해시키고 잔류 라피네이트로부터 충전된 상을 분리시키기 위한 혼합 챔버, 라피네이트를 배출하기 위한 라피네이트 배출관 및 충전된 용매를 배출하기 위한 용매 배출관; 및

   충전된 용매를 수용하기 위한 회전가능한 혼합기의 용매 배출관에 연결되고, 충전된 용매를 기체 및 목적하는 분획으로 전환시키고 목적하는 분획을 기체로부터 유리시키기 위해 원심 추출기의 추출 압력보다 낮은 분리 압력을 갖는 분리 용기를 포함하는, 액체로부터 성분들을 추출시키는 장치.
10. 제 9항에 있어서, 압력 용기가 조밀상 용매를 유지시키기에 충분한 압력에서 원심 추출기를 작동시키기 위해 원심 추출기를 둘러싸고 있음을 특징으로 하는 장치.