KR100603649B1

KR100603649B1 - 폴리유산 제조장치 및 방법

Info

Publication number: KR100603649B1
Application number: KR1020060029628A
Authority: KR
Inventors: 임채진
Original assignee: 가부시키가이샤 그린칸쿄테크놀로지; 임채진
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2006-07-24

Abstract

본 발명은 생분해성 플라스틱인 폴리유산 제조장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명의 구성은 1차중합수단(30) 하부에 구비된 배출관(37)에 연결되고 상부에 교반기(411)와 질소투입구(412) 및 열교환기(42)가 설치된 2차 중합탱크(41) 하부에 압출수단(70)까지 연결된 이송관(45)으로 구성된 2차 중합수단(40)과; 상부에 촉매유입구(511)와 교반기(512)가 구비된 용해탱크(51)와 상기 용해탱크(51) 하부에 이송관(54)이 구비된 용해수단(50)과; 일측은 상기 이송관(54)에 연결되고 타측은 배출관(62)이 구비되며 내측에 스크류(61)를 구비하며 수평으로 설치된 원심분리수단(60)과; 상기 이송관(45)과 배출관(62)에 각각 연결되고 일측에는 모터(71, 71a)가 구비되고 타측에는 다수의 원형홀(721, 721a)이 구비된 압출금형(72, 72a)으로 구성된 압출수단(70, 70a)과; 상기 공기와 물을 분사기(81, 81a)와 이송기(82, 82a)을 구비한 냉각수단 (80, 80a)과; 절단수단(90, 90a)을; 포함하여 구성되며, 본 발명 효과는 옥수수 전분을 이용하여 2차 중합공정과 용해공정 및 원심분리공정을 거쳐 분자량이 높고 투명도가 선명하며 고품질의 생분해성플라스틱인 폴리유산을 얻을 수 있다.

폴리유산, 2차 중합공정, 옥수수분말, 용해공정, 원심분리공정

Description

폴리유산 제조장치 및 방법{Poly latic acid manufacturing apparatus and method}

도 1은 본 발명에 따른 폴리유산 제조장치를 나타내는 전체구성도이고,

도 2는 본 발명에 따른 폴리유산 제조장치의 발효여과수단을 나타내는 구성도이고,

도 3은 본 발명에 따른 폴리유산 제조장치의 1차 중합수단을 나타내는 구성도이고,

도 4는 도 1에 의한 2차 중합수단에서 1차절단수단까지 나타낸 상세도이고,

도 5는 도 1에 의한 용해수단에서 2차절단수단까지 나타낸 상세도이고,

도 6은 본 발명에 따른 폴리유산 제조방법을 나타내는 공정도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명

10 : 혼합수단 11 : 정량공급장치 12 : 혼합장치

14 : 교반탱크 15, 22 : 교반기 16, 23 : 투입구

20 : 발효수단 21 : 발효탱크 24 : 발효액공급관

25 : 여과장치 26 : 유산이송관 30 : 1차 중합수단

31 : 전기투석장치 32 : 유산염분리기 33 : 유산정제기

34 : 1차중합탱크 35 : 유산공급관 36 : 환류액공급관

37 : 배출관 40 : 2차 중합수단 41 : 2차 중합탱크

42 : 열교환기 43 : 회수탱크 44 : 가열용자켓

45 : 이송관 46 : 고열용기어펌프 50 : 용해수단

51 : 용해탱크 52 : 회수장치 53 : 열교환기

54 : 이송관 55 : 내산용기어펌프 60 : 원심분리수단

61 : 스크류 70, 70a : 압출수단 71, 71a : 모터

72, 72a : 압출금형 80, 80a : 냉각수단 81,81a : 분사장치

90, 90a : 절단수단

본 발명은 유산의 중축합으로 합성된 생분해성 합성고분자인 폴리유산(Poly Latic Acid)을 제조하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

생분해성 플라스틱 (biodegradable plastic)이란 박테리아, 곰팡이 및 조류와 같이 자연적으로 발견되는 미생물의 작용에 의해 분해되는 플라스틱으로,사용중에는 범용 플라스틱과 동등한 물성을 유지하나, 사용후 폐기 또는 자연상태에 버려졌을 때, 자연계에 존재하는 미생물 (박테리아, 곰팡이 및 조류) 에 의해 물과 이산화탄소 등으로 완전히 분해되는 수지를 말한다.

현대사회는 플라스틱 시대라고 부를 수 있을 만큼 플라스틱은 우리생활 곳곳에 널리 사용되고 있다. 플라스틱 제품은 가볍고 강한 특성으로 인해, 각종 생활용 품, 가전제품, 산업자재, 의료기기, 레저용품 등의 소재로서 다방면에 걸쳐 사용되고 있으며, 산업화 된지 수십년이 지난 오늘날까지도 생산량과 소비량 모두 크게 증가하고 있다. 그러나, 일반적으로 널리 사용되고 있는 합성수지 (PE, PP, PVC, PS, PET 등) 의 대부분은 자연환경에서 분해되지 않기 때문에 사용후 버려지는 대량의 플라스틱 폐기물을 어떻게 처리할 것인지가 커다란 사회문제가 되고 있습니다.

특히, 합성수지는 생활주변에서 많이 쓰이며, 그 경량성으로 인하여 실제 버려지는 양에 비해 눈에 많이 띄는 관계로 환경을 오염시키는 주범으로 인식되고 있습니다. (예: 각종 비닐봉투, 포장지, 스티로폼 등)

또한 바다에 유출되는 플라스틱 제품(각종 폐비닐, 어망, 낚시줄 등) 또한 수십만톤에 달하며, 이 폐기물은 해양에 축적되어 어장 및 해양생태계에 많은 피해를 입히는 등의 문제도 발생하고 있습니다.

폴리유산은 유산을 탈수축중합 한 것으로 , 종래에서부터 식물성전분에 유산균을 작용시키고 유산발효에 의한 유산을 얻을 수 있는 것으로 알려져 왔다. 하지만 조래의 공법에 의하면, 발효의 과정에서 반응액의 PH가 저하하고, 유산균의 활성이 저해되는 일이 많아, 고농도의 유산을 효율 좋게 얻는 것이 곤란하다.

이러한 반응액의 PH 저하는, 식물성전분과 유산균을 작용시킬 때, 그 발효에 의해 생성된 유산이 발효조 내에서 잔존하는 것에 의해 기인하는 것으로 추측되고 있다.

또한, 폴리유산은 농축처리된 유산에 촉매를 적량하게 가하여 교반하면서 가 열하는 것에 의해 유산이 탈수축중합함으로서 얻어지는 것으로 알려져 있다. 이때, 탈수축중합 반응에서 생성된 물을 장치외부로 배출하는 것이 필요하며, 일본특허공개공보 제2003-335850호에 기재된 것과 같이, 종래에는 이러한 물을 배출하는 방법으로서 물을 감압 증산시키는 방법이 이용되고 있다.

하지만, 물을 감압증산시키는 방법에 의해서는 중합반응이 진행됨에 따라 중합물의 점도가 높게 되기 때문에 물의 해리속도가 늦게되고, 효율 좋은 탈수를 수행하는 것이 불가능하다는 문제점이 있다.

상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위하여 본 발명에서는, 옥수수 전분과 유산을 이용하여 1차 중합공정후에 제조된 폴리유산을 2차중합시켜 분자량을 높이고 다시 용해공정에 재투입시켜 2차촉매로 폴리유산에 포함되어 있는 불순물을 제거하며 원심분리공정에서 용해공정에서 폴리유산에 투입되었던 2차촉매를 분리시켜 정제함으로서 분자량이 높고 투명도가 높은 고품질의 폴리유산을 제조할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성에서는, 옥수수전분을 공급하는 정량공급장치(11)와 상기 옥수수전분과 물을 혼합하는 혼합장치(12)가 공급관(13)에 연결되고 상부 중앙에 교반기(15)와 투입구(16)가 구비된 교반탱크(14)로 구성된 혼합수단(10)과, 발효탱크(21) 상부 중앙에 교반기(22)와 투입구(23)가 구비된 발효수단(20)과, 전기투석장치(31)와 하부에 배출관(37)이 구비된 1차중합탱크(34)로 구 성된 1차중합수단(30)를 포함한 폴리유산 제조장치(100)에 있어서; 상기 1차중합수단(30) 하부에 구비된 배출관(37)에 연결되고 상부에 교반기(411)와 질소투입구(412) 및 열교환기(42)가 설치된 2차 중합탱크(41) 하부에 압출수단(70)까지 연결된 이송관(45)으로 구성된 2차 중합수단(40)과; 상부에 촉매유입구(511)와 교반기(512)가 구비된 용해탱크(51)와 상기 용해탱크(51) 하부에 이송관(54)이 구비된 용해수단(50)과; 일측은 상기 이송관(54)에 연결되고 타측은 배출관(62)이 구비되며 내측에 스크류(61)를 구비하며 수평으로 설치된 원심분리수단(60)과; 상기 이송관(45)과 배출관(62)에 각각 연결되고 일측에는 모터(71, 71a)가 구비되고 타측에는 다수의 원형홀(721, 721a)이 구비된 압출금형(72, 72a)으로 구성된 압출수단(70, 70a)과; 상기 공기와 물을 분사기(81, 81a)와 이송기(82, 82a)을 구비한 냉각수단 (80, 80a)과; 절단수단(90, 90a)을; 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 2차 중합수단(40)은 상기 2차중합탱크(41) 둘레방향으로 가열용자켓(44)이 구비되고 상기 열교환기(42) 일측 끝단에 회수탱크(43)가 구비되며, 상기 이송관(45)은 열선이 구비된 온도조절장치가 부착되고 고열용기어펌프(46)가 설치되며, 상기 용해수단(50)은 용해탱크(51) 상부에 회수관(521)에 연결된 회수장치(52)가 구비되고 내측에 둘레방향으로 냉각파이프(53)가 구비되며, 상기 이송관(54)에 내산용기어펌프(55)가 설치된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 압출금형(72, 72a)은 열선이 포함된 온도조절장치가 구비된 것을 특징으로 한다.

목적을 달성하기 위한 본 발명의 제조방법에서는 옥수수전분과 물을 혼합하고 혼합된 옥수수전분과 물에 효소류를 투입하여 액당으로 만들기 위한 혼합공정 (S10)과; 상기 혼합공정(S10)에서 나온 액당이 투입되고 유산균이 투입되어 가열함으로 발효시키고, 상기 발효액을 분순물로부터 여과하여 발효 여액인 유산을 만드는 발효공정(S20)과; 상기 발효공정(S20)에서 나온 유산을 상기 전기투석장치(31)를 거쳐 1차중합수단(30)에 의해 중합되는 1차 중합공정(S30)으로 제조되는 폴리유산 제조방법에 있어서; 상기 1차 중합공정(S30)에 의해 1차 중합된 폴리유산에 질소를 투입하고 180 ~ 200℃의 고온으로 유지하며 교반함으로서 2차 중합시키는 2차 중합공정(S40)과; 상기 2차중합공정(S40)으로 2차 중합된 폴리유산을 온도조절장치에 의해 150~200 ℃로 유지하며 모터(71)로 가압하여 압출금형(72)에 의해 압출된 폴리유산을 뽑아내는 1차압출공정(S50)과; 상기 1차 압출공정(S50)으로 압출된 폴리유산을 냉각수단(80)에 구비된 분사장치(81)로 공기와 물을 분사하며 냉각시키는 1차냉각공정(S60)과; 상기 1차냉각공정(S60)으로 냉각된 폴리유산을 절단수단(90)을 이용하여 작은 조각으로 절단하는 1차절단공정(S70)과; 상기 1차절단공정(S70)에서 절단된 작은 조각의 폴리유산을 2차촉매와 유기용제와 함께 투입하고 냉각수에 의해 저온상태로 유지시키면서 교반기(512)로 동시에 교반하며 용해시키는 공정(S80)과; 상기 용해공정(S80)으로 용해된 폴리유산을 원심분리수단(70a)에 의한 원심력에 의해 폴리유산과 촉매를 분리하는 원심분리공정(S90)과; 상기 원심분리공정(S90)으로 정제된 폴리유산을 온도조절장치에 의해 150~200 ℃를 유지하며 모터(71a)로 가압하여 압출금형(72a)에 의해 압출된 폴리유산을 뽑아내는 2차압출 공정(S100)과; 상기 2차압출공정(S100)으로 압출된 폴리유산을 냉각수단(80a)에 구비된 분사장치(81a)로 공기와 물을 분사하며 냉각시키는 2차냉각공정(S110)과;

상기 2차냉각공정(S110)으로 냉각된 폴리유산을 절단수단(90a)에 의해 절단하는 2차절단공정(S120);으로 제조되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 폴리유산 제조장치를 나타내는 전체구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 폴리유산 제조장치의 발효여과수단을 나타내는 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 폴리유산 제조장치의 1차 중합수단을 나타내는 구성도이고, 도 4는 도 1에 의한 2차 중합수단에서 1차절단수단까지 나타낸 상세도이고, 도 5는 도 1에 의한 용해수단에서 2차절단수단까지 나타낸 상세도이고, 도 6은 본 발명에 따른 폴리유산 제조방법을 나타내는 공정도이다.

도 1은 본 발명에 따른 폴리유산 제조장치를 나타내는 전체구성도로 생분해성 플라스틱인 폴리유산을 제조하기 위한 장치(100)는 크게 혼합수단(10), 발효수단(20), 1차 중합수단(30), 2차 중합수단(40), 용해수단(50), 원심분리수단(60), 압출수단(70, 70a), 냉각수단(80, 80a), 절단수단(90, 90a)을 포함하여 구성된다.

상기 혼합수단(10)은 옥수수전분을 모터의 구동에 의해 정량으로 공급하는 정량공급장치(11)와, 상기 정량공급장치(11)에 의해 투입된 옥수수 전분과 물을 혼합하기 위한 혼합장치(12)로 구성되고, 상기 혼합장치(12)와 연결된 공급관(13)을 통해 교반탱크(14)로 유입되어 상부 중앙에 구비된 교반기(15)로 옥수수전분과 물 을 투입하고 연속적으로 투입구(16)를 통해 효소와 첨가제를 투입하여 교반하여 생성된 액당을 교반탱크(14) 하부에 구성된 액당공급관(17)을 통해 발효수단(20)으로 공급된다.

도 2를 참조하면, 상기 발효수단(20)은 액당공급관(17)과 연결되고 상부 중앙에 교반기(22)가 구비되었으며 유산균과 첨가제 및 영양제를 투입하기 위한 투입구(23)가 구비된 발효탱크(21)로 구성되며, 상기 발효탱크(21)의 소정의 거리에 설치되고 연결관(251, 252)를 구비한 2개의 여과장치(25)는 상기 발효탱크(21)의 하부에 구비된 공급관(24)과 상부연결관(251)에 연결되고 상기 여과장치(25) 하부에 구비된 하부연결관(252)은 유산이송관(26)과 연결된 구성이다.

도 3을 참조하면, 상기 1차 중합수단(30)은 상기 유산이송관(26)에 연결된 유산염분리기(32)와 유산정제기(33)로 구성된 전기투석장치(31)와, 일측은 상기 유산정제기(33)에 구비된 유산공급관(35)이 1차중합탱크(34)로 연결되고 타측은 환류액공급관(36)이 구비되었으며, 상기 저장탱크(34) 하부에는 배출관(37)이 구비된다.

여기서 상기 전기투석장치(31)는 중앙의 격벽(321)이 구비되고 양측으로 음이온투과막(322)과, 일측은 유산염액관(325)이 구비되고 타측은 탈유산염관(326)이 구비되어 상기 환류액공급관(36)에 연결되며 일측은 양극(324)이 형성되고 타측은 음극(323)이 형성된 유산염분리기(32)와, 중앙에 2개의 격벽(3421)이 설치되고 상기 격벽(321) 사이에 상기 유산염액관(3425)이 연결되며 양측으로 음이온투과막 (322)이 설치되어 일측에 형성된 양극(324)에 유산공급관(35)이 구비되어 상기 저 장탱크(34)에 연결되고 타측에 형성된 음극(323)에는 알카리액관(331)이 구비되어 상기 환류액공급관(36)에 연결된 유산정제기(33)로 구성된다.

도 4는 도 1에 의한 2차 중합수단(40)에서 1차절단수단(90)까지 나타낸 상세도로 상기 2차 중합수단(40)은 상기 1차중합탱크(34) 하부에 구비된 배출관(37)에 연결된 2차 중합탱크(41) 상부에 연결관(421)에 고정된 열교환기(42)가 구비되고 상기 열교환기(42) 일측에는 회수탱크(43)를 구비하였으며, 이것은 2차 중합탱크(41)에서 고열에 의해 중합될 때 수분이나 기타 불순물이 증발하므로 연결관(421)을 통해 증발된 수분이나 불순물을 받아들이고 상기 열교환기(42)를 통해 증발되어 기체상태의 수분과 불순물을 액체상태로 상태 변화시켜 이를 일측 끝단에 구비된 회수탱크(43)에 회수하도록 한 것이다.

또한 상기 2차 중합탱크(41)의 둘레방향으로는 가열용자켓(44)을 구비하여 고열에서 중합되도록 계속 열을 가하도록 한 것이며 하부에는 이송관(45)이 압출수단(70)까지 연결되고, 상기 이송관(45)과 압출수단(70) 사이에는 고열용기어펌프(46)가 구비되는데 이것은 고온의 2차 중합된 폴리유산을 이송하기 위한 것으로 고열에서도 견딜 수 있는 특수강으로 제작된 기어펌프를 사용하는 것이 바람직하며 상기 이송관(45)에 온도조절장치(미도시)를 구비하도록 하여 이송중에 온도가 내려가 굳어버리는 것을 방지하고자 상기 이송관(45)에 열선을 감은 온도조절장치(미도시)를 구비하여 원하는 온도를 유지하기 위해 구성된 것이다.

상기 압출수단(70)은 상기 이송관(45)에 연결되어 있으며 일측은 모터(71)가 구비되어 있어 압출하기 위해 구동하게 되며 타측은 다수의 원형홀(721)이 형성되 어 있으며 온도조절장치가 부착된 압출금형(72)으로 구성되어 있으며, 여기서 압출금형(72)에 온도조절장치가 부착된 것은 상기 원심분리수단(60)에서 저온상태에서 촉매가 분리되어 이송된 폴리유산이 압출수단(70)에서 온도가 낮아진 상태에서 이송된 폴리유산이 고체로 되어 압출을 안되는 것을 방지하고자 도시되지는 않았으나 열선을 감아 원하는 온도를 유지하도록 한 것이다.

상기 냉각수단(80)은 분사장치(81)에 구비된 다수의 노즐(811)에 의해 공기와 물을 분사하도록 하였으며 또한, 이송수단(82)이 구비되어 있어 냉각된 폴리유산을 절단수단(90)으로 이송하게 된다.

이렇게 이송된 폴리유산은 절단수단(90)에서 냉각된 상태에서 회전하도록 구성된 로터리커터(미도시)에 의해 연속절단 가공하게 되어 작은 조각으로 절단된다.

도 5는 도 1에 의한 용해수단(50)에서 2차절단수단(90a)까지 나타낸 상세도로, 용해수단(50)과 원심분리수단(60), 상기 압출수단(70a), 냉각수단(80a), 절단수단(90a)으로 구성된다.

상기 용해수단(50)은 상기 절단수단(90)에 의해 작은 조각으로 절단된 폴리유산이 투입시켜 용해 교반하도록 한 것으로, 용해탱크(51) 상부에 유기용제와 2차촉매가 투입되는 촉매유입구(511)와 교반기(512) 및 회수관(521)에 연결된 회수장치(52)를 소정의 거리에 설치하였으며 상기 용해탱크(51) 하부에 구비된 이송관(54)에 스텐리스(Stainless) 재질로 제작된 내산용기어펌프(55)를 설치하여 산이 포함된 용해된 폴리유산이 이송될 때 산에 의한 부식되는 것을 방지하기 위해 설치되었다.

상기 원심분리수단(60)은 이송관(54)을 통해 용해된 폴리유산을 내측으로 유입시키고 타측에는 원심분리되어 정제된 폴리유산을 배출관(62)을 통해 압출수단(70)으로 이송하게 되며 내측에는 고속으로 회전가능한 스크류(61)를 구비하고 있으며 수평으로 설치된 구성이다.

상기 압출수단(70a)는 상기 압출수단(70)과 같은 구성으로 상기 배출관(62)에 연결되며 일측은 모터(71a)가 구비되고 압출하기 위해 구동하게 되며 타측은 다수의 원형홀(721a)이 형성되며 온도조절장치가 부착된 압출금형(72a)으로 구성되었고, 또한 냉각수단(80a)도 상기 냉각수단(80)과 같은 구성으로 분사장치(81a)에 구비된 다수의 노즐(811a)에 의해 공기와 물을 분사하고 이송장치(82a)가 구비되어 있어 냉각된 폴리유산을 절단수단(90a)으로 이송하게 된다.

이렇게 이송된 폴리유산은 절단수단(90a)에서 냉각된 상태에서 회전하도록 구성된 로터리커터(미도시)에 의해 연속절단 가공하게 되어 작은 조각으로 절단하여 원하는 폴리유산 조작을 얻게 된다.

도 6은 본 발명에 따른 폴리유산 제조방법을 나타내는 공정도로, 이를 참조하여 설명하면, 상기 혼합공정(S10)은 옥수수전분, 물, 첨가제, 효소류을 혼합하는 공정으로 우선 상기 정량공급장치(11)을 통해 옥수수전분을 상기 혼합장치(12)에 투입하여 옥수수전분과 물을 혼합하고, 혼합된 옥수수전분과 물이 상기 공급관(13)을 통해 상기 교반기(15)가 구비된 교반탱크(14)에 투입되면 투입구(16)를 통해 효소류 및 첨가제가 투입되어 상기 교반기(15)로 교반함으로서 액당 상기 액당이 액당공급관(17)을 통해 발효공정(S20)으로 도입된다.

여기서, 옥수수전분과 유산균과의 혼합비(질량비)는 1000:0.1~1000:10가 바람직하고, 1000:0.5~1000:5가 더 바람직하며, 상기 첨가물은 식영, 탄산칼슘, 각종 효소등을 예시할 수 있고, 상기 탄산칼슘의 함유량은 혼합물에 대해 0.5~1 질량% 가 바람직하다.

상기 발효여과공정(S20)은 상기 액당공급관(17)을 통해 발효탱크(21)에 투입된 액당에 투입구(23)을 통해 유산균이 투입되어 가열하는 동시에 상기 교반기(22)로 교반하여 액당을 발효시키게 되는데 발효시에는 온도가 대략 40℃ 정도이고 혼합물의 산성도(PH)가 5~6 정도로 유지되면서 수시간동안 발효하게 되며 분순물이나 고체물질을 걸러내어 발효 여액(濾液)인 유산을 제조하게 위해 공급관(24)을 통해 발효수단(20)에서 발효된 액을 발효액공급관(24)을 통해 공급관(251)에 보내어 상기 여과장치(25)의 여과작용으로 인해 발효여액인 유산으로 생성하게 되며 생성된 유산은 하부 측면에 구비된 연결관(252)을 통해 유산이송관(26)을 통해 다음공정인 1차 중합공정(S30)으로 보내게 된다.

상기 1차 중합공정(S30)은 여과된 유산을 탈수하기 위해 유산염분리기(32)와 유산정제기(33)로 구성된 전기투석장치(31)는 유산염분리기(32)에서 물과 발효된 유산을 분리시키게 되는데 상기 유산이송관(26)을 통해 공급받은 유산이 유산염분리기(32)에 유입되면 상기 격벽(321)을 중심으로 전기분해되어 양극(324)에는 탈수된 탈유산이 탈유산관(326)을 통해 환류액공급관(36)을 통해 상기 발효수단(20)으로 재공급되고, 격벽(321)의 타측에 형성된 음극(323)에는 유산염이 생성되어 유산염액관(325)을 통해 유산정제기(33)로 생성된 유산염 상기 유산정제기(33)의 양측 으로 구비된 격벽(321) 사이로 유산염액을 투입하게 되며 이 또한 상기 유산염분리기(32)과 같이 전기분해하여 양극(324)에는 고농도의 유산이 생성되어 유산공급관(35)을 통해 1차 중합탱크(34)로 공급되고 음극(323)에는 기타 혼합물들이 분리되어 환류액회수관(36)을 통해 발효탱크(21)로 회수된다

또한 1차중합탱크(34)에서 전기투석장치(31)에서 분리된 고농도의 유산에 촉매를 함께 투입하여 1차 촉매와 고농도의 유산을 가열하여 중합을 행하도록 한다.

여기서 유산과 1차촉매와의 혼합비(질량비%)는 100:1 ~ 100:10이 바람직하고, 100:3 ~ 100:5가 더욱 바람직하다. 상기 촉매로서는 유산의 중합에 이용되는 촉매이면 특별히 한정하지 않고 이용할 수 있고, 예컨데 산화루테늄 및 산화티탄을 50 질량%로 혼합하는 것이 바람직하다

아래에 본 발명에 따른 제조방법을 설명하도록 한다.

상기에서와 같이 혼합공정(S10)과 발효공정(S20)과 1차 중합공정(S30)을 거쳐 1차 중합된 폴리유산은 10% 가량의 불순물이 함유되어 있어 분자량이 낮고 투명도도 선명하지 않기 때문에 분자량과 투명도를 높이도록 하기와 같이 2차 중합공정(S40)과, 1차압출공정(S50)과, 1차절단공정(S70), 1차냉각공정(S60), 용해공정(S80), 원심분리공정(S90), 2차압출공정(S100), 2차냉각공정(S110), 2차절단공정(S120)을 거쳐 분자량이 높고 1차 중합공정(S30)에 포함되어 있던 불순물을 제거함으로서 투명도를 높일 수 있도록 한 것이다.

상기 2차 중합공정(S40)은 상기 1차 중합공정(S30)된 폴리유산을 상기 2차 중합탱크(41)로 유입하게 되면 상기 중합탱크(41) 내측에 구비된 가열용자켓(44)를 통해 180~200℃의 고열을 유지시키고 질소가스투입구(413)를 통해 질소를 분당 5~3리터(L)로 투입하여 교반기(412)를 이용하여 교반하여 1차 중합된 폴리유산을 고온상태인 180~200℃에서 중합을 촉진시키게 하여 분자량이 증가하게 되고 상기 2차 중합된 고온의 폴리유산은 고열용기어펌프(46)를 이용하여 온도조절장치에 구비된 열선을 상기 이송관(45)에 감싸도록 하여 적정온도인 100℃~250℃ 온도범위 원하는 온도로 조절되면서 압출공정(S50)으로 공급시킨다.

상기 1차압출공정(S50)은 2차 중합된 폴리유산을 압출수단(70)를 통해 분자량이 더 단단한 폴리유산으로 만들기 위한 것으로 일측에 구비된 모터(71)에 의해 분자량이 증가된 폴리유산을 압출하게 되며 또한 압출금형(72)으로 뽑아냄으로서 가느다란 국수처럼 압출된다.

여기서, 상기 압출금형(72)는 다수의 원형홀(721)이 구비되었으며 3~5mm의 구멍을 10~500개 정도 가공된 펠렛다이(Pellet Dies)를 온도조절이 가능한 온도 조절장치(Electric Heater Control) 를 부착하여 적절한 온도인 150℃~200℃를 유지하며 모터(71)에 의해 적당량(1~10000kg/hr)으로 압출한다

한편,상기 이송관(45)과 압출금형(72)는 온도조절이 가능한 온도조절장치인 전기히터장치가 구비되어 있는데, 상기 전기히터장치는 일예로 이송관(45)나 압출금형(72)에 열을 발생할 수 있도록 열선을 감아 온도를 조절해주는 것이며 이런 온도조절장치는 고온으로 중합된 폴리유산이 이송관(45)이나 압출금형(72)에서 온도가 내려감으로 인해 굳어지게 되는 것을 방지하기 위한 것이다

상기 1차냉각공정(S60)은 국수처럼 압출된 폴리유산을 분사장치(81)에 구비 된 노즐(811)에 의해 물과 공기를 분사하여 냉각시킨 후 송풍기(미도시)를 이용하여 수분을 건조시키면서, 이송수단(82)로 이송시키면서 다음단계인 절단공정(S90)으로 이송하게 되는 것이다.

상기 1차절단공정(S70)은 냉각된 폴리유산을 회전운동하는 로터리커터( Rotary cutter)를 사용하여 적합한 규격인 φ3 ~ 5 x 2~5mm으로 연속절단하는 공정이다.

상기 용해공정(S80)은 상기 절단공정(S70)으로 작은 조각으로 절단된 폴리유산을 촉매와 유기용제와 함께 투입하여 용해시키고 불순물 제거하여 정제된 폴리유산을 얻기 위한 것이며 상기 2차중합공정(S40)에 의해 중합된 폴리유산은 1차 촉매를 그대로 함유하고 있으며 분자량도 낮고 10% 정도의 불순물을 함유하고 있기 때문에 다시 용해공정(S80)에 의해 정제하게 된다.

즉, 용해공정(S80)에서는 상기 절단공정(S70)에 의해 작은 조각으로 절단된 폴리유산을 40~70%로 투입하고 촉매유입구(51)로 유기용제(염화메칠렌등) 30 ~ 60 중량%와 은, 백금 등의 금속성인 2차 촉매를 0.1 ~ 10중량%로 함께 투입하여 교반기(511)가 구비된 용해탱크(51)에 투입하여 혼합 교반하게 되는데 상기 유기용제는 고체상태의 폴리유산을 용해하기 위한 것이며, 상기 2차촉매는 불순물등을 제거하기 위한 것이다 또한, 상기 용해탱크(51) 내측 둘레로 냉각파이프(53)가 구비되어 있어 상기 유기용제 및 2차 촉매와 반응으로 발생하는 고온의 발열량에 의해 휘발성의 유기용제가 용해탱크(51)내에서 폭발하는 것을 방지하고 반응한 폴리유산이 다음 단계에 사용되는 저온용 원심분리수단(60)에서 저온상태로 원심분리할 수 있 도록 구비된 것이다.

이와 같이, 상기 고체인 폴리유산을 유기용제와 2차 촉매를 이용하여 용해 될때까지 교반함으로서 폴리유산의 분자량을 높이고, 2차 촉매에 의해 10% 불순물이 제거되면서 정제된 폴리유산이 생성하게 되며 상기 용해공정(S80)에서 교반시 증발하게 되는 휘발성의 유기용제는 상기 용해탱크(51)에서 증발하여 용해탱크(51)에 상부에 구비된 회수관(521)을 통해 회수장치(52)로 회수하여 다시 재사용하게 된다.

상기 원심분리공정(S90)은 상기 용해된 폴리유산을 원심분리수단(60)에 의해 원심분리하는 것으로 상기 저온용 원심분리수단(60)에 내재된 스크류(61)를 1500rpm이상으로 고속회전시켜 상기 용해공정(S80)과 1차중합공정(S30)에서 투입되었던 1, 2차 촉매를 원심분리에 의해 폴리유산과 분리하게 되는데 분리된 1차 촉매와 2차 촉매는 비중의 차이에 의해 분리되고 분리된 2차촉매는 2차중합공정(S80)에서 재활용이 가능함으로 수집하여 상기 용해공정(S80)에 재투입되며, 정제된 폴리유산은 압출공정(S100)으로 이송된다.

이와 같이 상기 용해공정(S80)과 원심분리공정(S90)에 의해 분자량이 높고 고품질의 투명도가 높은 폴리유산이 제조된다.

상기 2차 압출공정(S100)은 2차 중합된 폴리유산을 압출수단(70a)를 통해 분자량이 더 단단한 폴리유산으로 만들기 위한 것으로 1차 압출공정(S50)후 정제된 폴리유산을 더 단단하게 압출로 뽑아내도록 하기 위한 것으로 상기 압출수단(70a)도 압출수단(70)처럼 폴리유산을 각부분별 적합한 온도분포인 150℃~200℃로 조정 하여 적당량(1~10000kg/hr)으로 압출한다

압출금형(72a)은 또한 다수의 원형홀(721)이 구비되었으며 3~5mm의 구멍을 10~500개 정도 가공된 펠렛다이(Pellet Dies)를 온도조절이 적합한 온도 조절장치(Electric Heater Control) 를 부착하여 적절한 온도인 150℃~200℃를 유지하도록 한다

상기 2차 냉각공정(S110)은 국수처럼 압출된 폴리유산을 분사장치(81a)에 구비된 노즐(811a)에 의해 물과 공기를 분사하여 냉각시킨 후 송풍기(미도시)를 이용하여 수분을 건조시키면서, 이송수단(82a)로 이송시키면서 다음단계인 절단공정(S120)으로 이송하게 되는 것이다.

상기 2차 절단공정(S120)은 냉각된 폴리유산을 도시되지 않은 회전운동하는 로터리커터(Rotary cutter)를 사용하여 적합한 규격인 φ3 ~ 5 x 2~5mm으로 연속절단하는 공정으로 이렇게 2차 절단된 폴리유산은 투명도가 높고 분자량이 높으면 친환경적인 생분해성 플라스틱인 폴리유산이 되는 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 옥수수 전분을 이용한 친환경적인 재료를 사용함으로 인해 제조과정에서 유해물질의 배출을 억제할 수 있으며 1차 중합공정후에 1차 중합된 폴리유산을 2차중합시켜 분자량을 높이고 용해공정에 재투입시켜 2차촉매에 의해 폴리유산에 포함된 불순물을 제거하게 되며 원심분리공정에서 폴리유산에 투입된 1, 2차촉매를 분리시켜 정제함으로서 분자량이 높고 고품질의 투명도가 높은 생분해성 플라스틱인 폴리유산을 제조할 수 있어 첨단산업분야인 반도체 분야와 식품용기 및 농업용 필름등에 사용할 수 있으며 친환경적인 공정으로 모든 공정을 연속적으로 행하는 것이 가능하여 생산효율이 증가하는 효과가 있다.

Claims

옥수수전분을 공급하는 정량공급장치(11)와 상기 옥수수전분과 물을 혼합하는 혼합장치(12)가 공급관(13)에 연결되고 상부 중앙에 교반기(15)와 투입구(16)가 구비된 교반탱크(14)로 구성된 혼합수단(10)과, 발효탱크(21) 상부 중앙에 교반기(22)와 투입구(23)가 구비된 발효수단(20)과, 전기투석장치(31)와 하부에 배출관(37)이 구비된 1차중합탱크(34)로 구성된 1차중합수단(30)을 포함한 폴리유산 제조장치(100)에 있어서;

상기 1차중합수단(30) 하부에 구비된 배출관(37)에 연결되고 상부에 교반기(411)와 질소투입구(412) 및 열교환기(42)가 설치된 2차 중합탱크(41) 하부에 압출수단(70)까지 연결된 이송관(45)으로 구성된 2차 중합수단(40)과;

상부에 촉매유입구(511)와 교반기(512)가 구비된 용해탱크(51)와 상기 용해탱크(51) 하부에 이송관(54)이 구비된 용해수단(50)과;

일측은 상기 이송관(54)에 연결되고 타측은 배출관(62)이 구비되며 내측에 스크류(61)를 구비하며 수평으로 설치된 원심분리수단(60)과;

상기 이송관(45)과 배출관(62)에 각각 연결되고 일측에는 모터(71, 71a)가 구비되고 타측에는 다수의 원형홀(721, 721a)이 구비된 압출금형(72, 72a)으로 구성된 압출수단(70, 70a)과;

상기 각각의 압출수단(70, 70a)에 연결되고 공기와 물을 분사기(81, 81a)와 이송기(82, 82a)을 구비한 냉각수단(80, 80a)과; 절단수단(90, 90a)을; 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 폴리유산 제조장치.
제 1항에 있어서,

상기 2차 중합수단(40)은 상기 2차중합탱크(41) 둘레방향으로 구비된 가열용자켓(44)과, 상기 열교환기(42) 일측 끝단에 설치된 회수탱크(43)와, 상기 이송관(45)은 열선이 구비된 온도조절장치가 부착되고 고열용기어펌프(46)가 설치된 것을 특징으로 하는 폴리유산 제조장치.
제 1항에 있어서,

상기 용해수단(50)은 용해탱크(51) 상부에 회수관(521)에 연결된 회수장치(52)가 구비되고 내측에 둘레방향으로 냉각파이프(53)가 구비되며, 상기 이송관(54)에 내산용기어펌프(55)가 설치된 것을 특징으로 하는 폴리유산 제조장치.
제 1항에 있어서,

상기 압출금형(72, 72a)은 열선이 포함된 온도조절장치가 구비된 것을 특징으로 하는 폴리유산 제조장치.
옥수수전분과 물을 혼합하고 혼합된 옥수수전분과 물에 효소류를 투입하여 액당으로 만들기 위한 혼합공정(S10)과; 상기 혼합공정(S10)에서 나온 액당이 투입되고 유산균이 투입되어 가열함으로 발효시키고, 상기 발효액을 분순물로부터 여과 하여 발효 여액인 유산을 만드는 발효공정(S20)과; 상기 발효공정(S20)에서 나온 유산을 상기 전기투석장치(31)를 거쳐 1차중합수단(30)에 의해 중합되는 1차 중합공정(S30)으로 제조되는 폴리유산 제조방법에 있어서;

상기 1차 중합공정(S30)에 의해 1차 중합된 폴리유산에 질소를 투입하고 180 ~ 200℃의 고온로 유지하며 교반함으로서 2차 중합시키는 2차 중합공정(S40)과;

상기 2차중합공정(S40)으로 2차 중합된 폴리유산을 온도조절장치에 의해 150~200 ℃로 유지하며 모터(71)로 가압하여 압출금형(72)에 의해 압출된 폴리유산을 뽑아내는 1차압출공정(S50)과;

상기 1차압출공정(S50)으로 압출된 폴리유산을 냉각수단(80)에 구비된 분사장치(81)로 공기와 물을 분사하며 냉각시키는 1차냉각공정(S60)과;

상기 1차냉각공정(S60)으로 냉각된 폴리유산을 절단수단(90)을 이용하여 작은 조각으로 절단하는 1차절단공정(S70)과;

상기 1차절단공정(S70)에서 절단된 작은 조각의 폴리유산에 2차촉매와 유기용제를 함께 투입하고 냉각수에 의해 저온상태로 유지시키면서 교반기(512)로 동시에 교반하여 용해시키는 공정(S80)과;

상기 용해공정(S80)으로 용해된 폴리유산을 원심분리수단(70a)에 의한 원심력에 의해 폴리유산과 촉매를 분리하는 원심분리공정(S90)과;

상기 원심분리공정(S90)으로 정제된 폴리유산을 온도조절장치에 의해 150~200 ℃를 유지하며 모터(71a)로 가압하여 압출금형(72a)에 의해 압출된 폴리유산을 뽑아내는 2차압출공정(S100)과;

상기 2차압출공정(S100)으로 압출된 폴리유산을 냉각수단(80a)에 구비된 분사장치(81a)로 공기와 물을 분사하며 냉각시키는 2차냉각공정(S110)과;

상기 2차냉각공정(S110)으로 냉각된 폴리유산을 절단수단(90a)에 의해 절단하는 2차절단공정(S120);으로 제조되는 것을 특징으로 하는 폴리유산 제조방법.