KR100821385B1 - 해양 심층수에 함유된 미네랄염을 이용하여 유기성 미네랄염을 제조하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해양 심층수에 함유되어 있는 미네랄성분을 이용하여 활성화된 유기성 미네랄염의 제조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해양 심층수로부터 음료수와 식염을 생산하는 공정에서 발생하는 간수(苦汁)와 동물의 뼈나 조개껍질을 소성(燒成)한 칼슘제를 이용하여 활성유기성 미네랄염을 제조하는 방법에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은, 수심 200m 이하의 해양 심층수를 취수하여 음료수와 식염을 제조하는 과정에서 배출되는 간수와 소뼈(牛骨)와 같은 동물의 뼈, 난각(卵殼), 모려각(牡蠣殼)과 같은 조개껍데기, 산호초(珊瑚礁) 등을 소성하여 분쇄한 칼슘분말로 Ca/Mg의 중량비가 2∼6 범위로 미네랄밸런스(Mineral balance)를 조정한 다음, 트레할로스(Trehalose), 미네랄착염(錯鹽)을 생성하는 유기산, 아미노산와 같은 첨가제를 첨가하면서 자화처리를 하여 활성화된 유기성 미네랄염을 제조한다.

해양 심층수, 유기성 미네랄염, 간수, 동물의 뼈, 조개껍질, 트레할로스(Trehalose), 유기산, 아미노산

Description

해양 심층수에 함유된 미네랄염을 이용하여 유기성 미네랄염을 제조하는 방법{Manufacturing method of organic mineral salts by using contained in deep sea water mineral salts}

도 1은 유기성 미네랄염의 제조공정도

도 2는 간수의 탈염처리공정도

도 3은 간수의 탈황산이온처리공정도

도 4는 미네랄조성조정, 첨가제첨가 활성화처리, 농축 및 유기성 미네랄염석출처리공정도

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1; 간수 저장조 2; 간수이송펌프

3; 탈염 전기투석장치 4; 양극

5; 음극 6; 양극실

7; 음극실 8; 1가 음이온선택교환 격막

9; 1가 양이온선택교환 격막 10; 탈염실

11; 염농축실 12; 염수 저장조

13; 염수 이송펌프 14; 정류기

15; 탈염미네랄수 저장조 16; 탈염미네랄수 이송펌프

17; 황산 이온제거 전기투석장치 18; 양극

19; 음극 20; 양극실

21; 음극실 22; 양이온선택교환 격막

23; 1가 음이온선택교환 격막 24; 탈미네랄실

25; 미네랄농축실 26; 탈황산이온미네랄수 저장조

27; 탈황산이온미네랄수 이송펌프 28; 정류기

29; 미네랄밸런스조정 및 첨가제 혼합조

30; 미네랄밸런스조정 및 첨가제 혼합조 교반기

31; 미네랄수 이송펌프 32; 충전 탑

33; 충전물 34; 자화장치

35; 석출조 36; 레이크(Rake)

37; 증발 탑 38; 분무노즐(Spray nozzle)

39; 배기 팬(Fan) 40; 익류수 저장조

41; 익류수 반송펌프 42; 스크루컨베이어(screw conveyer)

43; 탈수 여액 저장조 44; 탈수 여액 이송펌프

N; N극(N-Pole) S; S극(S-Pole)

ⓢ; 솔레노이드밸브(Solenoid valve) M; 모터(Motor)

pH; 수소 이온농도

pHIS; 수소 이온농도지시제어기(pH indicating switch)

BI; 보메도비중지시계(Baume indicator)

BIS; 보메도비중지시제어기(Baume indicating switch)

TIC; 온도지시제어기(Temperature indicating controller)

ECIS; 전기전도율지시제어기(Electric conductivity indicating switch)

본 발명은 활성화된 유기성 미네랄염의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해양 심층수로부터 음료수와 소금제조공정에서 배출되는 간수(Bittern)와 동물의 뼈, 난각(卵殼), 패각(貝殼), 산호초(珊瑚礁)를 소성(燒成)하여 분쇄한 칼슘(Ca)제를 혼합하여 미네랄밸런스(Mineral balance)를 조정하면서 트레할로스(Trehalose)와 유기성 미네랄착염(錯鹽)을 생성하는 유기산, 아미노산(Amino acid)과 반응을 하면서 자화처리(磁化處理)를 하여 활성화된 유기성 미네랄염을 생성한 다음, 증발농축, 탈수, 건조하여 활성화된 유기성 미네랄염(Activated organic mineral salts)을 제조하는 방법에 관한 것이다.

해양 심층수는 표층 해수에 비해서 표층 해수에 비해서 온도가 낮은 저온성, 인산·규소·질산성 질소 등의 영양염류(榮養鹽類)의 농도가 높으며, 환경오염물질, 부유물질(浮遊物質)과 현탁물질(懸濁物質)의 농도가 낮으면서 미생물의 농도가 낮은 청정성(淸淨性) 등의 특성이 있다.

또한, 해양 심층수 중에는 다음 표 1에서 보는 봐와 같이 유해한 Pb, Cd, Cu, As … 등과 같은 중금속성분의 농도가 그리 높지 않으면서 인체에 필요한 다양 한 미네랄 성분(必須微量元素)이 함유되어 있으면서 장기간 고압 하에서 물 분자의 집단체(Cluster)가 소집단수(小集團水; Micro-clustered water)로 숙성되어 있는 특성이 있다.

해양 심층수와 표층 해수의 성분을 비교검토하면 다음 표 1의 내용과 같다.

표 1 해양 심층수와 표층 해수의 성분 분석표

분 류	항 목	해 양 심 층 수	표 층 해 수
일 반 항 목	수온（℃）	0∼12	16.5∼24.0
	pH 산성도	7.98	8.15
	DO 용존산소 (mg/ℓ)	7.80	8.91
	TOC 유기 탄소 (mg/ℓ)	0.962	1.780
	용해성 증발잔류물(mg/ℓ)	40750	37590
	M-알칼리도(mg/ℓ)	114.7	110.5
주 요 원 소	Cl염화물이온(%)	2.237	2.192
	Na 나트륨 (%)	1.080	1.030
	Mg 마그네슘 (%)	0.130	0.131
	Ca 칼슘 (mg/ℓ)	456	441
	K 칼륨 (mg/ℓ)	414	399
	Br 브롬 (mg/ℓ)	68.8	68.1
	Sr 스트론튬 (mg/ℓ)	7.77	7.61
	B 붕소 (mg/ℓ)	4.44	4.48
	Ba 바륨 (mg/ℓ)	0.044	0.025
	F 불소 (mg/ℓ)	0.53	0.56
	SO4 2 - (mg/ℓ)	2833	2627
영 양 염 류	NH4 +암모니아태질소(mg/ℓ)	0.05	0.03
	NO3 - 질산태질소 (mg/ℓ)	1.158	0.081
	PO4 3 - 인산태인 (mg/ℓ)	0.177	0.028
	Si 규소 (mg/ℓ)	1.89	0.32
미 량 원 소	Pb 납 (μg/ℓ)	0.102	0.087
	Cd 카드뮴 (μg/ℓ)	0.028	0.008
	Cu 구리 (μg/ℓ)	0.153	0.272
	Fe 철 (μg/ℓ)	0.217	0.355
	Mn 망간 (μg/ℓ)	0.265	0.313
	Ni 니켈 (μg/ℓ)	0.387	0.496
	Zn 아연 (μg/ℓ)	0.624	0.452
	As 비소 (μg/ℓ)	1.051	0.440
	Mo 몰리브덴 (μg/ℓ)	5.095	5.555
균 수	생균 수(개/mℓ)	102	103∼104

주) 상기 표 1의 분석표는 일본 고지현 무로도시 무로도등대(高知縣 室戶市 室戶岬) 동쪽의 해저 374m의 해양 심층수와 표층해수의 성분을 분석한 수치임.

해양 심층수의 물 분자의 집단수(集團數)는 핵자기공명의 ¹⁷O-NMR 반치폭(半値幅)의 값이 70∼80㎐로 소집단화되어있으며, ¹⁷O-NMR 반치폭의 값이 70∼80㎐인 물의 분자 집단수(集團數)는 ¹⁷O-NMR 값의 1/10에 해당하는 7∼8개의 물 분자가 상호 수소결합(水素結合)에 의해 집단체(集團體; Cluster)로 되어있다.

인체 혈액의 각종 미네랄농도는 나트륨(Na)이 3,470㎎/ℓ, 마그네슘(Mg)이 60㎎/ℓ, 칼슘(Ca)이 201㎎/ℓ, 염소(Cl)가 6,090㎎/ℓ, 칼륨(K)은 262㎎/ℓ로 되어 있으며, 1일 미네랄의 권장섭취량은 성인 남성의 경우 나트륨(Na)은 8,000∼10,000㎎/ℓ이며, 마그네슘(Mg)은 300∼400㎎/ℓ, 칼슘(Ca)은 800∼1,500㎎/ℓ, 칼륨(K)은 2,000∼3,000㎎/ℓ이다.

Ca/Mg 중량비가 2∼6 범위의 미네랄염이 미네랄밸런스(Mineral balance)가 좋으나, 해양 심층수에는 표 1의 내용에서 보는 봐와 같이 Ca/Mg 중량비가 0.35로, 마그네슘(Mg)의 함량이 칼슘(Ca) 함량에 비해서 높게 존재한다.

그리고 음용수나 식품에 미네랄첨가제(미네랄조성물)로 사용하는 경우 칼슘(K)은 신맛을 나게 하며, 마그네슘(Mg)은 쓴맛을 나게 하여 맛을 떨어뜨리는 반면에 칼슘(Ca) 맛을 부드럽게 하여 맛을 향상하는 효과가 있다.

먹는 물(광천수)의 경우 좋은 물맛의 지수(OI)와 건강에 좋은 건강지수(KI)는 다음 식 ①과 ②와 같다.

좋은 물맛의 지수(OI) = (Ca + K + SiO₂) / (Mg + SO₄) ………①

건강의 지수(KI) = Ca- 0.87Na ……………………………………②

물맛이 좋기 위해서는 좋은 물맛의 지수(OI)의 값이 2.0 이상인 물이 맛이 좋으며, 건강에 좋은 물은 건강의 지수(KI)의 값이 5.2 이상인 물이 건강에 좋다.

그래서 본 발명에서는 황산 이온(SO₄ ^{2 -})과 나트륨 이온(Na⁺)의 농도가 낮으면서 Ca/Mg의 중량비가 2.0∼6.0으로 미네랄밸런스(Mineral balance)를 조정한 미네랄염을 제조한 다음, 트레할로스(Trehalose)와 미네랄착염을 생성하는 유기산, 아미노산과 반응하면서 자화처리를 하여 활성화된 유기성 미네랄염을 제조하는 방법을 제시한다.

해양 심층수에는 NaCl과 황산 이온(SO₄ ^2-)의 함량이 높으면서 마그네슘(Mg)의 함량이 칼슘(Ca)에 비해서 높은 문제점이 있으면서, 소금제조공정에서 배출되는 간수의 성분조성은 다음 표 2의 내용에서 보는 바와 같이 소금의 제조방법과 제조 조건에 따라서 성분의 차이가 있으나, 칼슘성분은 소금제조에 앞서 석고(CaSO₄)와 탄산칼슘(CaCO₃)으로 침전제거되기 때문에 간수 중에는 칼슘성분이 거의 존재하지 않기 때문에 간수 자체로는 미네랄제로 사용할 수 없는 문제점이 있다.

표 2 소금의 제조방법에 따른 간수의 조성(wt%)

간수의 종류	NaCl	KCl	MgCl2	MgSO4	MgBr2	CaCl2	비 고
염전제염간수	2∼11	2∼4	12∼21	2∼7	0.2∼0.4	-	황산마그네슘계 간수
이온교환격막제염간수	1∼8	4∼11	9∼21	-	0.5∼1	2∼10	염화칼슘계 간수

간수의 조성은 소금의 제조방법과 조건에 따라서 차이가 매우 크며, 염전에서 소금을 생산하는 경우, 여름 철에 채취한 간수는 온도가 낮은 겨울철에 생산된 간수에 비해서 황산 마그네슘이 석출하여 간수중의 황산 마그네슘 농도는 낮아지며, 이러한 간수를 월동 간수라 하며, 이온교환격막제염에서 생산되는 간수에는 황산 마그네슘은 포함되지 않으면서 칼륨함량이 높으면서 염화칼슘(CaCl₂)이 존재하기 때문에 미네랄·밸런스 측면에서는 우수한 미네랄염이라고는 할 수 없다.

이온교환격막전기투석법에 의한 해양 심층수의 농축에서는 해수 중의 Na+, K+, Ca2+, Mg2+ 등의 양이온은 양이온교환격막을 통과하고, Cl^-, Br^-, SO₄ ^{2 -} 등의 음이온은 음이온교환격막을 통과하는 것으로 농축되며, 이때 2가 이온보다 1가 이온이 통과하기 쉬우며, 이것은 Ca^{2 +}, Mg^{2 +}, SO₄ ^{2 -}가 적은가 함수(鹹水)를 얻을 수 있는 것으로, 이것은 Ca^{2 +}, Mg^{2 +}, SO₄ ^{2 -}가 적은 함수를 얻을 수 있는 것을 의미하며, 특히 큰 이온인 황산 이온은 통과하기 어려워, 황산 이온 농도는 낮아지기 때문에 남은 Ca²⁺ 이온은 염화물 이온(Cl^-)과 다음 반응식 ③과 같이 결합하여 염화칼슘(CaCl₂)이 간수 중에 남게 되며, 이러한 간수를 염화칼슘계 간수라 한다.

Ca^{2 +} + 2Cl^- → CaCl₂ ……………………………………………………③

해양 심층수를 취수하여 미네랄염을 제조할 때 고려되어야 할 사항을 검토하 면 다음과 같다.

① 칼슘과 마그네슘의 중량비율(Ca/Mg)이 2∼6 범위로 포함된 미네랄염이 좋은 미네랄염이 될 수 있다.

② 무기미네랄염은 흡수효율이 낮기 때문에 흡수효율이 높은 유기성 미네랄착염 형태의 미네랄염이 좋다.

③ 염수농축 역삼투여과공정에서는 운전 중에 스케일(Scale)생성으로 인한 막의 막힘 현상(Fouling)을 유발시켜 압력 손실계수의 상승, 공급원수의 편류(偏流) 및 역삼투막의 성능저하를 초래하여 여과효율을 저하하는 문제가 없는 운전조건에서 운전하여야 한다.

④ 열에 약한 영양염류, 아미노산, 당류 … 등이 열분해 되지않게 저온에서 증발 및 건조를 하는 것이 좋은 염을 생산할 수 있으나, 저온에서는 증발 및 건조하면 증발속도가 느리기 때문에 제품의 품질, 시설비와 운전비 등에 따른 경제성을 고려하여 증발 및 건조온도를 결정하여야 한다.

⑤ 자화처리(磁化處理)를 하여 활성화된 미네랄염으로 처리하는 것이 흡수효율이 향상되는 활성화된 미네랄염을 생산할 수 있다.

⑥ 운전비용과 시설비가 저렴한 처리공정을 선정하여야 한다.

해양 심층수에서 종래의 미네랄염 제조방법으로는 일본 특허공개 2002-338242호의 경우는 해양 심층수를 취수하여 모래여과→나노여과→역삼투여과→나노여과 →분무 건조 →산화 소성(燒成)하여 고미네랄산화물의 제조방법이 제시되어 있으나, 미네랄밸런스를 조정하는 공정이 결여되어 있기 때문에 미네랄밸런스가 맞 지 않은 문제점이 있으며, 일본 특허공개 2002-29735호의 미네랄염 제조방법은 해수를 가열 자비(煮沸)하여 농축수를 2중 가마에 주입하고, 가열하여 농축수의 수분을 증발하는 것에 의해 해수 중에 함유되어 있는 염화마그네슘, 염화칼륨, 염화칼슘을 결정화하여 미네랄염을 제조하는 방법이 제시되어 있으나, 이 역시 미네랄밸런스가 맞지 않으며, 또한 가열농축을 함으로써 열에 약한 아미노산류나 트레할로스(Trehalose)와 같이 열에 약한 물질이 분해될 수 있는 문제점이 있다.

본 발명에서 해수의 비중을 나타내는 보메 비중계(Baume's hydrometer)의 보메도(°Be)는 액체의 비중을 측정하기 위하여 보메 비중계를 액체에 띄웠을 때의 눈금의 수치로 나타낸 것으로, 물의 비중보다 무거운 중액용(重液用)의 무거운 보메도(중보메도)와 물의 비중보다 가벼운 경액용(輕液用)의 가벼운 보메도(경보메도)가 있으며, 이 중에서 중액용은 순수(純水)를 0°Be로 하고, 15% 식염수를 15°Be로 하여, 그 사이를 15 등분한 눈금을 가지며, 경액용은 10% 식염수를 0°Be로 하고, 순수(純水)를 10°Be로 하여, 그 사이를 15 등분한 눈금을 매기고 있으며, 보메도(°Be)는 해수의 경우 염 농도(wt%)와 근사(近似)하기 때문에 농도를 표시하는 척도로도 널리 사용되고 있다.

보메도(°Be)와 액체의 비중(d)과의 관계는 다음과 같다.

액체의 비중이 물의 비중보다 무거운 중보메도의 경우

d = 144.3/(144.3-Be) ………………………………………………④

액체의 비중이 물의 비중보다 가벼운 경보메도의 경우

d = 144.3/(134.3+Be) ………………………………………………⑤

전기전도율지시제어기(Electric conductivity indicating switch; ECIS)에서 측정되는 전기전도율(Electric conductivity)은 수용액이 전기를 전도하는 정도를 나타내는 지표로서 수중의 염류농도를 나타내는 기준으로, 단위는 수용액의 전기저항률의 역수에 상당하는 ㎳/㎝(Siemens/meter)이며, 전기전도도(EC)와 수중의 총가용성염(TSS)과의 관계는 다음 식⑥과 같다.

　TSS(ppm)=640 X EC(㎳/㎝) …………………………………………⑥

그리고 이중의 염분농도(NaCl ppm)는 전기전도율(EC)과의 관계는 다음 식⑦에 의해서 간단히 추정할 수 있다.

염분농도(NaCl ppm) = 552×EC(㎳/㎝)-200 …………………………⑦

전기전도도 값은 국제단위계인 ㎳/m(millisimenss/meter), 또는 ㎲/㎝(microsiemens/centimeter)단위로 표기하며, ㎳/m = 10㎲/㎝(또는 10μmhos/㎝)이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 해양 심층수로부터 음료수와 식염(食鹽)을 제조하는 공정에서 배출되는 간수에 동물의 뼈, 난각, 패각, 산호초를 소성하여 분쇄한 칼슘(Ca)제를 혼합하여 미네랄밸런스를 조정하면서 트레할로스와 미네랄 착염을 생성하는 유기산, 아미노산과 반응하여 유기성 미네랄염을 만든 다음, 자화처리(磁化處理)를 하여 활성화된 유기성 미네랄염을 제조한 것을 증발농축, 탈수, 건조하여 활성화된 유기성 미네랄염을 제조하는 방법을 제공하는데 본 발명의 목적이 있는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수심 200m 이하의 해양 심층수의 전처리단계, 간수를 생산하는 단계, 간수의 탈염 단계, 탈염된 간수의 황산 이온제거 단계, 동물의 뼈, 난각, 패각, 산호초를 소성하여 분쇄한 칼슘분말을 생산하는 단계, 미네랄밸런스조정, 첨가제 혼합 및 자화처리단계, 증발농축 및 미네랄염 석출(析出), 탈수, 건조, 포장 및 검사단계에 의한 제품을 생산하는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.

먼저, 해양 심층수의 특징을 검토하면, 수심 200m이하의 해양 심층수는 표층의 해수와는 달리 태양 광이 닿지 않아 플랑크톤(Plankton)을 증식하지 못하기 때문에 표층의 해수에는 없는 고영양성(高榮養性), 청정성(淸淨性), 저온안정성(低溫安定性), 다양한 미네랄이 함유되어 있는 등의 특징이 있다.

1. 고영양성(高榮養性)

태양 광이 닿지 않는 심해에서는 표층의 해수와는 달리 플랑크톤에 의한 광합성은 거의 행해지지 않기 때문에 표층의 해수에서는 광합성에 의해서 소비되는 무기 영양염류(질소, 질산염, 인산염, 규소)의 소모가 없으며, 광합성 활동을 할 수 없기 때문에 유기물이 적고 표층으로부터 침강한 생물의 사체 등의 유기물로부터 다량의 영양염류가 분해·용출되며, 이를 이용하는 플랑크톤이 없기 때문에 영양염류(榮養鹽類)의 농도가 높게 존재한다.

2. 청정성(淸淨性)

태양 광이 닿지 않는 심해에서는 플랑크톤이 적기 때문에 어류 등의 생물이 적으면서 병원성 미생물이 거의 존재하지 않으며, 또한, 육지나 대기로부터의 오염물질에 의한 오염의 가능성도 표층수에 비해 극히 적기 때문에 매우 깨끗하다.

3. 저온안정성(低溫安定性)

해양 심층수는 온도와 염분농도의 차이로부터 표층수와 서로 섞이는 일이 없이 저온 고압상태에서 수온의 변화가 지극히 안정되어 있는 특징이 있다.

4. 미네랄 특성

해양 심층수에는 70여 종류의 다종다양한 필수 미량원소가 함유되어 있다.

해양 심층수에 용해되어 있는 미네랄염은 상기와 같은 특징이 있기 때문에 위생적으로 안전하면서 인체에 유용한 다양한 미네랄성분이 함유되어 있기 때문에 양질의 미네랄염을 생산할 수 있다.

미네랄성분 중에서 칼슘이 부족하면 골다공증이 유발될 수 있으며, 칼슘(Ca)의 섭취부족이 제일 문제시되고 있으며, 성인의 경우 필요한 칼슘 섭취량은 600~700㎎/일이며, 마그네슘은 250~320㎎/일로 칼슘(Ca)/마그네슘(Mg)의 중량비가 2 이상의 비율로 섭취하는 것이 좋다.

미네랄밸런스가 적합한 미네랄염을 제조하기 위해서는 Ca/Mg의 중량비가 2.0∼6.0의 범위가 되면서 황산 이온(SO₄ ^2-)의 농도가 낮은 것이 바람직 하지만, 표 1에서 보는 바와 같이 해양 심층수에는 Ca/Mg의 중량비가 0.35로, 칼슘에 비해서 마그네슘의 함량이 월등히 높으면서 황산 이온의 농도가 약 2,800㎎/ℓ정도로 높게 존재하기 때문에 Ca/Mg의 밸런스의 조정과 황산 이온 및 NaCl을 최대한 제거한 미네랄염을 만드는 것이 바람직하다.

그래서 양질의 미네랄염을 제조하기 위해서는 Ca/Mg의 중량비가 2.0∼6.0의 범위가 되면서 황산 이온(SO₄ ^{2 -})과 염분의 농도가 낮은 것이 바람직하다.

그러나 해양 심층수를 천일 염전에서 태양에너지와 공기에 의해서 함수(鹹水)를 증발농축하는 경우 칼슘성분은 증발지에서 보메도 비중이 11.5°Be가 되면서부터 석고(CaSO₄)성분으로 석출(析出)하기 시작하여 소금이 석출하는 보메도 비중이 26°Be가 되기 전에 대부분의 칼슘성분은 석출 침전되기 때문에 표 2에서 보는 바와 같이 간수 중에는 칼슘성분이 거의 존재하지 않으며, 이온교환막을 사용한 전기투석에 의한 제염의 경우는 염화칼슘(CaCl₂)이 함유된 간수가 생성되어도 마그네슘 함량에 비해서 칼슘성분은 소량 함유되어 있기 때문에 칼슘제를 첨가하여 미네랄밸런스를 조정할 필요가 있다.

칼슘제는 칼슘함량이 높은 우골(牛骨)과 같은 동물의 뼈, 난각(卵殼), 패각(貝殼), 산호초(珊瑚礁)를 800∼1,200℃에서 소성(燒成)하여 분쇄한 칼슘(Ca)제를 혼합하여 미네랄밸런스(Mineral balance)를 조정한다.

그리고 무기 미네랄염은 섭취하였을 때 흡수효율이 낮기 때문에 트레할로스(Trehalose)와 미네랄착염(錯鹽)을 생성하는 유기산, 아미노산(Amino acid)을 첨가하여 유기성 미네랄염을 생성하면서 자화처리(磁化處理)를 하여 활성화된 유기성 미네랄염을 생성한 다음, 증발농축, 탈수, 건조하여 활성 유기성 미네랄염(Activated organic mineral salts)을 제조한다.

이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

Ⅰ. 해양 심층수의 전처리단계

1. 전처리공정

수심 200m이하에서 해양 심층수를 취수하여 집수된 집수조의 해양 심층수는 온도가 낮으면서 점도가 높아 여과효율이 떨어지기 때문에 20∼30℃로 가온 처리와 고압정전압처리, 자화처리와 원적외선처리로 물 분자의 집단(Cluster)을 소집단화된 소집단수(Microclustered water)로 처리를 하여 표면장력과 점성을 떨어뜨린 다음에 전처리여과공정으로 보내어 모래여과(Sand filter), 정밀여과(Micro filter ), 한외여과(限外濾過; Ultra filter)를 단독 또는 2가지 이상을 조합한 여과를 하여 나노여과 및 역삼투여과공정에 공급하는 물의 오염 지수(FI; Fouling index) 값을 2∼4 범위로 처리하여 후단 나노여과(Nanofiltration)와 역삼투여과(Reverse osmosis filtration)에서 막 막힘(Fouling) 현상이 야기될 수 있는 부유고형물질(SS; Suspended solid)을 제거한다.

물의 오염 지수(FI)값은 대상 수중의 미세한 탁질 농도를 나타내는 수치로 다음 ⑧식으로 표현된다.

FI = (1－T₀/T₁₅)×100/15 ………………………………………………⑧

여기서 T₀는 0.45μm의 정밀 여과 막을 이용해 시료수를 0.2 MPa로 가압 여과했을 때에 최초의 500ml의 시료수의 여과에 필요로 한 시간이며, T₁₅는 T₀와 동일 한 상태에서 15분간 여과한 후에 500ml의 시료수의 여과에 필요로 한 시간이다.

2. 나노여과 및 역삼투여과공정

전처리여과공정에서 물의 오염 지수(FI) 값을 2∼4 범위로 처리한 해양 심층수를 역삼투여과공정에서 스케일(Scale) 생성의 원인물질인 황산염(CaSO₄)의 황산 이온(SO₄ ^2-)을 나노여과공정에서 제거한 다음, 여과 수를 역삼투여과공정으로 보내어 여과된 탈염수는 음용수제조공정으로 보내고, 농축된 염수는 간수 및 소금제조공정으로 보낸다.

3. 간수 및 소금제조공정

역삼투여과공정에서 농축된 염수가 소금제조공정에 공급되면 농축하여 석출된 소금은 탈수-건조 후 포장하여 소금제품을 생산하면서 탈수 여액인 간수를 생산한다.

역삼투여과공정에서 농축된 염수의 농축방법은 천일 염전, 진공식 다중효용증발관에 의한 농축, 전기투석에 의한 농축, 진공증발농축, 분무농축, 가마에서 가열하여 전오염(煎熬鹽)을 석출하는 농축하는 방법 중에서 단독 또는 2가지 이상의 방법을 조합한 방법에 의해서 보메도 비중이 26°Be까지 농축하면 NaCl이 석출(析出)하기 시작하여 KCl, MgSO₄, MgCl₂, MgBr₂ 등의 염이 석출하기 시작하는 32°Be 보메도 비중까지 농축하면서 석출된 소금은 탈수-건조하여 소금제품을 생산하면서 보메도 비중이 32°Be이상에서 석출된 소금을 탈수시 여액인 간수(Bittern)는 간수 탈염단계의 간수 저장조(1)로 보낸다.

Ⅱ. 간수 탈염단계

간수 탈염 전기투석장치(3)는 정류기(14)로부터 인가(印加)되는 직류전원의 전위차(電位差)를 구동력(Driving force)으로 하여 이온성 용질을 막 투과에 의해 분리하는 것으로, 양이온선택교환 격막은 고정부전하(固定負電荷)를 가지는 1가 양이온을 선택적으로 투과하는 1가 양이온선택교환 격막(9)을 사용하고, 음이온선택교환 격막은 고정정전하(固定正電荷)를 가지는 1가 음이온을 선택적으로 투과하는 1가 음이온선택교환 격막(8)을 양극(4)과 음극(5) 사이에 교호적(交互的)으로 일렬 다단(多段)으로 설치된 구조로 되어 있다.

표 2에서 보는 바와 같이 간수 중에는 NaCl이 2∼11wt% 함유되어 있기 때문에 탈염공정의 간수 저장조(1)에 공급된 간수는 간수 이송펌프(2)에 의해서 탈염 전기투석장치(3)의 탈염실(10)로 공급하여 간수 저장조(1)로 반송하고, 염수 저장조(12)의 염수를 염수 이송펌프(13)에 의해서 염농축실(11)로 공급하여 염수 저장조(12)로 반송하면서 정류기(14)로부터 직류전류를 인가하면 Na⁺, K⁺와 같은 1가 양이온만 음극(5) 쪽의 1가 양이온선택교환 격막(9)을 통과하여 염농축실(11)로 이동하게 되며, 1가 음이온인 Cl^- 이온은 1가 음이온만 양극(4) 쪽의 1가 음이온선택교환 격막(8)을 통과하여 염농축실(11)로 이동하게 되어 염수 저장조(12)의 보메도 비중이 11∼22°Be범위로 농축된 염수는 보메도 비중계 BIS(Baume indicating switch)로 솔레노이드밸브(ⓢ)를 작동하여 소금제조공정으로 보내고, 탈염된 간수 중의 NaCl의 농도가 400∼800㎎/ℓ범위로 탈염처리가 되면 일부는 간수 저장조(1)로 반송하고, 탈염된 간수인 탈염 미네랄수는 전기전도율지시제어기(ECIS: Electric conductivity indicating switch)의 전기전도율이 6∼12㎳/㎝ 범위에서 솔레노이드밸브(Solenoid valve; ⓢ)를 작동하여 탈염미네랄수의 황산 이온제거단계의 탈염미네랄수 저장조(15)로 보낸다.

이때 소금제조공정에서 배출되는 간수가 전기투석공정에 의해서 소금을 제조하는 공정에서 배출되는 간수의 경우는 간수 중에 황산 이온의 농도가 낮거나 거의 존재하지 않기 때문에 탈염된 간수인 탈염 미네랄수 중에서 황산 이온 농도가 200㎎/ℓ 이하로 존재하는 경우에는 탈염된 간수인 탈염미네랄수는, 탈염미네랄수의 황산 이온제거단계의 탈염 미네랄수 저장조(15)로 보내지 않고, 미네랄조성조정공정의 미네랄밸런스조정 및 첨가제 혼합조(29)로 보낸다.

그리고 염수 저장조(12)의 수위가 떨어지면 음용수제조공정의 탈염수를 용수로 염수 저장조(12)에 설치된 수위 제어기(Level switch; LS)로 솔레노이드밸브(ⓢ)를 작동하여 공급한다.

탈염 전기투석장치(3)에서 한계전류밀도를 높게 하여 통전량(通電量)을 크게 함으로써 전기투석효율을 향상하면서 스케일 트러블(Trouble)을 억제하기 위해서는 탈염실(10)에 공급하는 유량은 막면선속도(膜面線速度)가 10~30 ㎝/초 범위가 되게 탈염된 간수를 간수 저장조(1)로 반송하며, 염농축실(11)에 공급하는 염수의 유량은 막면선속도가 1~3㎝/초 범위가 유지되도록 염수를 염수 저장조(12)로 반송한다.

그리고 염농축실(11)에서 스케일이 부착되어 처리효율을 저하할 때를 대비하 여 정류기(14)에 극성전환장치(極性換置)를 설치하여 양극(4)과 음극(5)의 전원을 전환하여 부착된 스케일이 탈리(脫離) 되도록 한다.

전극실의 전해질 용액은 음극실(7)로 공급하여 배출되는 전해질 용액을 양극실(6)에 공급하며, 음극실(7)에 공급하는 전해질 용액(음극실 용액)은 해수(해양 심층수 원수)를 이용할 수도 있으나, 3∼10wt%의 Na₂SO₄ 수용액을 사용하는 것이 전극의 부식 및 양극(4)에서 염소(Cl₂)가스의 발생을 억제할 수 있다.

Ⅲ. 탈염미네랄수의 황산 이온제거단계

황산 이온제거 전기투석장치(17)는 정류기(28)로부터 인가되는 직류전원의 전위차를 구동력으로 하여 이온성 용질을 막 투과에 의해 분리하는 것으로, 양이온선택교환 격막은 1가 및 2가 이상 다가(多價)의 양이온 모두를 투과하는 양이온 선택교환 격막(22)을 사용하고, 음이온 교환 격막은 탈염 전기투석장치(3)에서와 같이 1가 음이온만을 선택적으로 투과하는 1가 음이온선택교환 격막(23)을 양극(18)과 음극(19) 사이에 교호적으로 일렬 다단(多段)으로 설치된 구조로 되어 있어 전술한 탈염 전기투석장치(3)에서 1가 이온 염이 탈염된 미네랄수가 탈염 미네랄수 저장조(15)에 이송되어 탈염 미네랄수 이송펌프(16)로 탈미네랄실(24)에 공급하면서, 탈황산이온미네랄수 저장조(26)의 탈황산이온미네랄수를 탈황산이온미네랄수 이송펌프(27)에 의해 미네랄 농축실(25)로 공급하여 탈황산이온미네랄수 저장조(26)로 순환하면서 정류기(28)로부터 직류전류를 인가하면, 미네랄수 중 Ca²⁺와 잔류 Na⁺, K⁺와 같은 모든 양이온은 양이온선택교환 격막(22)을 통과하여 음극(19) 쪽의 미네랄 농축실(25)로 이동하며, 음이온은 1가 음이온선택교환 격막(23)을 사용하였기 때문에 황산 이온(SO₄ ^2-)과 같은 2가 이상의 다가 이온은 1가 음이온선택교환 격막(23)을 통과하지 못하고 1가 음이온(Cl^-)만 1가 음이온선택교환 격막(23)을 통과하여 양극(18) 쪽의 미네랄 농축실(25)로 이동하면서 미네랄수 중 황산 이온이 제거하게 된다.

탈염미네랄수(탈염된 간수)가 탈염미네랄수 저장조(15)에 공급되면 탈염미네랄수 이송펌프(16)로 탈미네랄실(24)에 공급하여 탈염미네랄수 저장조(15)로 반송하고, 탈황산이온미네랄수저장조(26)의 탈황산이온미네랄수를 탈황산이온미네랄수 이송펌프(27)에 의해서 미네랄농축실(25)로 공급하여 탈황산이온 미네랄수 저장조(26)로 반송하면서 정류기(28)로부터 직류전류를 인가하면 탈염 미네랄수 중의 1가 및 2가 이상 다가(多價)의 모든 양이온은 음극(19) 쪽의 양이온선택교환 격막(22)을 통과하여 미네랄농축실(25)로 이동하게 되며, 음이온은 1가 음이온인 Cl^- 이온만 양극(18) 쪽의 1가 음이온선택교환 격막(23)을 통과하여 미네랄농축실(25)로 이동하게 되어 각종 미네랄성분과 1가 음이온이 제거된 황산 이온 함유수는 전기전도율지시제어기(ECIS: Electric conductivity indicating switch)의 전기전도율이 8∼20㎳/㎝로 떨어지면 솔레노이드밸브(Solenoid valve; ⓢ)를 작동하여 방류하고, 탈황산이온미네랄수 저장조(26)의 보메도 비중이 10∼24°Be 범위로 농축된 탈황산이 온 미네랄수는 보메도 비중계 BIS(Baume indicating switch)로 솔레노이드밸브(ⓢ)를 작동하여 미네랄밸런스조정 및 첨가제 혼합조(29) 보낸다.

NaCl을 탈염처리한 미네랄수 중에는 황산 이온과 결합한 MgSO₄, CaSO₄와 같은 황산염이 존재하지만 양이온교환격막은 모든 양이온을 투과하는 양이온선택교환 격막(22)을 사용하고, 음이온교환 격막은 1가 음이온만을 선택적으로 투과하는 1가 음이온선택교환 격막(23)을 양극(18)과 음극(19) 사이에 교호적으로 일렬 다단을 설치한 전기투석장치에서는 황산 이온은 1가 음이온교환 격막(23)을 투과하기 어렵기 때문에 탈미네랄실(24)에 남으므로, 미네랄 농축실(25)에서는 황산 이온이 적기 때문에 칼슘 이온(Ca^{2 +})은 여분(餘分)의 염소 이온(Cl^-)과 결합하여 염화칼슘(CaCl₂)으로 되는 특징이 있다.

이와 같이 함수(鹹水)의 조성이 변화하는 이유는, 이온교환격막 전기투석법에 의한 미네랄수의 농축은 1가 음이온선택교환 격막(23)을 SO₄ ^{2 -}이온이 통과하기 어렵기 때문이며, 이와 같은 현상을 이온의 선택투과성(選擇透過性)이라고 한다.

그리고 미네랄 농축실(25)에서 스케일 생성에 의해서 처리효율을 저하할 때를 대비하여 정류기(28)에 극성전환장치(極性換置)를 설치하여 부착된 스케일을 탈리(脫離) 시킬 수 있도록 한다.

전극실의 전해질 용액은 음극실(21)로 공급하여 배출되는 전해질 용액을 양극실(20)에 공급하며, 음극실(21)에 공급하는 전해질 용액(음극실 용액)은 해양 심 층수 원수를 이용할 수도 있으나, 3∼10wt%의 Na₂SO₄ 수용액을 사용하는 것이 전극의 부식 및 양극(18)에서 염소(Cl₂)가스의 발생을 억제할 수 있다.

그리고 황산 이온제거 전기투석장치(17)에서 한계전류밀도를 높게 하여 통전량(通電量)을 크게 함으로써 전기투석효율을 향상하면서 스케일 트러블을 억제하기 위해서는 탈미네랄실(24)에 공급하는 유량은 막면선속도(膜面線速度)가 10~30 ㎝/초 범위로 탈염 미네랄수를 탈염 미네랄수 저장조(15)로 반송하며, 미네랄 농축실(25)에 공급하는 탈황산이온 미네랄수의 유량은 막면선속도가 1~3㎝/초 범위가 유지되도록 탈황산이온 미네랄수 저장조(26)로 반송한다.

황산 이온제거 전기투석장치(217)에 사용하는 양이온선택교환 격막(22)은 폴리스티렌-디비닐 벤젠(Polystyrene-divinylbenzene)계의 주사슬(主鎖; Main chain)에 부전하(負電荷) R-SO₃ ^-를 고정하고 있는 부전하막(負荷電膜)인 모든 양이온을 투과할 수 있는 격막을 사용하고, 1가 음이온선택교환 격막(23)은 상술한 탈염공정의 탈염 전기투석장치(3)의 1가 음이온선택교환 격막(8)과 동일한 것을 사용한다.

탈염 전기투석장치(3)와 황산 이온제거 전기투석장치(17)의 양극(4 및 18)은 내식성(耐蝕性) 재질이면서 염소 및 산소발생 과전압(過電壓)이 높은 DSA(Dimensionally stable anode)전극이나 백금도금 전극을 사용하며, 양극실 용액은 음극실을 통과한 용액을 주입하여 양극(4 및 18) 표면에서 염소 및 산소의 발생을 억제하도록 하며, 음극(5 및 19)은 수소발생과전압(水素發生過電壓)이 높은 랜니 니켈(Ranney nickel)이나 스테인리스 스틸(Stainless steel) 강판을 사용하고, 음극실에 가장 인접한 양이온교환 격막은 수소 이온 난투과성막(難透過性膜)이나 1가 음이온투과 격막을 이용하는 것에 의해서 음극(5 및 19) 표면에서의 수소 이온(H⁺)의 발생량을 저감도록하여 전력효율의 향상과 악취발생이 저감토록 한다.

삭제

그리고 미네랄밸런스를 조정할 필요가 없는 경우는 탈황산이온 미네랄수를 미네랄조성조정, 첨가제 첨가 및 활성화공정을 생략하고 증발농축공정의 증발 탑(37)으로 보내어 미네랄염을 제조한다.

Ⅳ. 칼슘분말을 생산하는 단계

미네랄밸런스 조정용 칼슘분말은 소뼈(牛骨)와 같은 동물의 뼈, 난각(卵殼), 굴 껍질(牡蠣殼)과 같은 조개 껍질(貝殼), 산호초(珊瑚礁)와 같이 칼슘성분이 많은 재료를 800∼1,200 ℃로 소성(燒成)한 다음 분쇄(分碎)한 분말을 사용한다.

소뼈와 같은 동물의 뼈의 주성분은 인산칼슘 아파타이트(Apatite)형태로 구성되어 있으며, 계란 껍질(卵殼)의 주성분은 탄산칼슘(CaCO₃)으로 구성되어 있으며, 굴 패각(貝殼)과 같은 조개 껍질의 경우는 탄산칼슘(CaCO₃)이 주성분으로 구성되어 있으면서 소량의 탄산마그네슘(MgCO₃)이 함유되어 있다.

전술한 칼슘 소재(素材)를 800∼1,200℃로 소성(燒成)하게 되면 유기물질과 휘발성물질은 열분해 되며, 동물의 뼈의 경우는 수산화인회석(Ca₅(PO₄)₃OH; Calcium phosphate hydroxide)의 형태로 전환되며, 난각(卵殼)이나 패각(貝殼)의 경우는 산화칼슘(CaO)형태로 전환하여 가용성 칼슘으로 전환된다.

전술한 칼슘소재를 소성온도 800∼1,200℃에서 2∼3시간 동안 소성하여 300∼400 메쉬(mesh)의 입자로 분쇄(分碎)하여 미네랄밸런스 조정제인 칼슘분말을 만든다.

Ⅴ. 미네랄밸런스조정, 첨가제 혼합 및 자화처리단계

간수에서 NaCl과 황산 이온(SO₄ ^2-)이 제거된 탈황산이온 미네랄수나 황산 이온이 함유되어 있지 않은 탈염 미네랄수가 미네랄밸런스조정 및 첨가제 혼합조(29)에 공급되면 상술한 칼슘분말을 Ca/Mg의 중량(무게)비가 2.0∼6.0의 비율이 되게 공급을 하고, 첨가제는 건강에 유용한 트레할로스(Trehalose, α-D-glucopyranosyl α-D-glucopyanoside)와 무기물(無機物) 상태의 미네랄염과 유기착화합물을 생성할 수 있는 유기산(有機酸)과 아미노산(Amino acid)을 다음과 같이 공급한다.

① 트레할로스(Trehalose)는 미네랄수 중의 무기 미네랄함량에 0.01∼5wt%범위로 주입한다.

② 유기착화합물을 생성할 수 있는 유기산은 아스코르브산(Ascorbic acid), 구연산(Citric acid), 호박산(Succinic acid), 초산(Acetic acid), 이타콘산 (Itaconic acid), 주석산(Tartaric acid), 피루브산(Pyruvic acid), 사과산(Malic acid), 푸마르산(Fumaric acid), 시스-아코니틴산(Cis-aconitic acid ), 옥살호박산(Oxalsuccinic acid),α－케토글루타르산(α-Ketoglutaric acid), 카페인산(Caffeic acid), 신남산(Cinnamic acid, Sinapinic acid), 쿠마린산(Coumaric acid), 젖산(Lactic acid), 현미식초, 사과식초, 포도식초, 매실식초, 감식초, 목초산(Wood vinegar)을 단독 또는 2종류 이상 혼합한 것을 무기 미네랄 함량에 10∼500wt%의 비율로 첨가한다.

③ 아미노산(Amino acid)은 아스파라긴산(Aspartic acid), 트레오닌(Threonine), 세린(Serine), 글루타민산(Glutaminic acid), 프롤린(Proline), 글리신(Glycine), 알라닌(Alanine), 시스틴(Cystine), 발린(Valine), 이소류신(Isoleucine), 페닐알라닌(Phenylalanine), 히스티딘(Histidine), 리신(Lysine), 타우린(Taurine), 호스호에타노르아민, 아스파라긴산(Asparaginic acid), 트레오닌(Threonine), 세린(Serine), 프롤린(Proline), 글리신(Glycine), 알라닌(Alanine), 페닐알라닌(Phenylalanine), 아미노낙산(Aminobutyric acid), 히스티딘(Histidine), 히드록시리신(Hydroxylysine), 오르니틴(Ornithine)을 단독 또는 2종류 이상 혼합한 것을 무기 미네랄 함량에 0.0001∼0.01wt%의 비율로 첨가한다.

탈황산이온 미네랄수가 미네랄밸런스조정 및 첨가제 혼합조(29)에 공급되면 칼슘소재분말과 상술한 첨가제를 주입하고, 미네랄밸런스조정 및 첨가제 혼합조 교반기(30)로 0.5∼2시간 동안 교반하여 유기미네랄염을 제조한다.

예를 들어 칼슘 미네랄염의 경우 젖산과 반응은 다음 ⑨의 반응식과 같이 반 응하여 유기성 미네랄염인 젖산칼슘이 생성된다.

Ca^{2 +} + 2CH₂CHOHCOOH →Ca(CH₃CHOHCOO)₂ + 2H⁺ ……………………⑨

교반방법은 프로펠러 교반기로, 교반시간(체류시간)을 0.5∼2시간, 회전속도를 180∼360RPM으로 교반하여 미네랄밸런스조정제인 칼슘분말이 완전히 용해되면서 첨가제가 혼합되면 미네랄수 이송펌프(31)에 의해서 원적외선을 방사(放射)하는 세라믹스(Ceramics)와 마이너스 이온(Minus ion)을 방사하는 세라믹스의 충전물(33)이 충전(充塡)된 충전 탑(32)으로 보낸 다음, 정전압도전관(靜電壓導電管) 자화기(磁化器; 34)로 보내어 도전관에 감은 코일(Coil)에 0.5∼5V 범위의 교류 또는 직류의 저전압(低電壓)을 인가하여 자화처리를 한 후에 유입수 유량의 1∼4배로 미네랄밸런스조정 및 첨가제 혼합조(29)로 반송하면서 증발 탑(37) 상부로 보낸다.

미네랄밸런스조정 및 첨가제 혼합조 교반기(30)의 재질은 내염성 재질인 SUS-316L, 티타늄, 브론즈(Bronze) 합금 중에서 한 종류를 사용한다.

정전압도전관 자화기(34)는 합성수지(PVC, PE, 스티렌 수지 등), 에보나이트 (Ebonite), FRP, 베이클라이트(Bakelite)와 같은 절연성 재료의 원통형 도전관에 감은 코일(Coil)에 0.5∼5V 범위의 교류 또는 직류의 저전압을 인가하면 코일의 내부에는 자기장(磁氣場)이 형성되며, 여기에 유체를 통과하면 자화처리가 되어 물 분자의 집단(Cluster)은 소집단화되어 활성수인 소집단수(小集團水)로 되면서 각종 미네랄성분도 활성화되어 활성화된 유기성 미네랄염으로 된다.

그리고 정전압도전관 자화기(34) 대신에 12,000∼15,000G(Gauss)범위로 착자 (着磁)된 영구자석을 설치하여도 된다.

충전 탑(32)의 용량은 체류시간이 30∼60분이 되도록 충전물(33)을 충전하고, 탑 경은 선 속도가 6∼10m/시간으로 한다.

원적외선을 방사하는 세라믹스와 마이너스 이온을 방사하는 세라믹스의 충전 비율은 동일 용적 비로 충전하며, 형태는 구형의 세라믹스를 사용하고, 크기는 별 상관이 없으며, 벤더(Vendor)의 사양 따라 선택하면 된다.

그리고 원적외선을 방사하는 세라믹스와 마이너스 이온을 방사하는 세라믹스 대신 천연광물 중에서 원적외선과 마이너스 이온을 방사하는 전기석(電氣石), 천매암(千枚岩), 석영반암(石英斑岩) 중에서 단독 또는 2종류 이상을 혼합하여 사용하여도 되며, 혼합비율은 별 상관이 없다.

여기서 제조된 액상상태의 유기성 미네랄염을 증발농축하지 않고, 식품이나 동물 및 어류의 사료에 미네랄 첨가제로 바로 사용할 수도 있다.

Ⅵ. 증발농축 및 미네랄염 석출(析出), 탈수, 건조, 포장 및 검사단계에 의한 제품을 생산하는 단계

유기성 미네랄염을 증발농축하여 고상의 제품을 제조할 때는 가열에 의한 증발이나 가열공기에 의해 수분을 증발하는 공정은 열에 약한 트레할로스(Trehalose)나 유기산 등이 열 분해될 수 있기 때문에 피해야 하며, 그래서 유기성 미네랄염의 증발농축은 대기의 건조공기로 미네랄수의 수분을 상온에서 증발농축하는 도 4와 같은 공정을 채택한다.

미네랄밸런스조정, 첨가제 혼합 및 자화처리단계에서 미네랄밸런스의 조정과 첨가제를 혼합하고, 미네랄활성화를 위해 자화처리를 하여 활성화된 유기성 미네랄염이 증발탑(32)에 공급되면 석출조(35) 익류수 반송액과 탈수 여액과 함께 증발 탑(37) 상부의 분무노즐(38)을 통해 분무하면서 배기 팬(39)의 작동에 의해서 대기 중의 건조공기가 증발 탑(37) 하부로부터 흡입되어 유기성 미네랄염수와 향류접촉(向流接觸)을 하면서 유기성 미네랄염수 중의 수분이 증발된 후 석출조(35)로 떨어져 상부로 익류하는 익류수는 익류수 저장조(40)로 보낸 다음, 익류수 반송펌프(41)에 의해 증발 탑(37) 상부로 반송하고, 석출된 유기성 미네랄염은 석출조(35) 하부로 침전되면 레이크(36)에 의해서 석출조(35) 하부중앙의 콘(Cone) 부분으로 모이면 스크루컨베이어(42)에 의해서 탈수공정에 공급하여 탈수 여액은 탈수 여액 저장조(43)로 보낸 다음. 탈수 여액이송펌프(44)에 의해서 증발 탑(37) 상부로 반송하고, 탈수된 유기성 미네랄염은 건조공정으로 보내어 건조하여 고상의 유기성 미네랄염을 제조하고, 이를 포장 및 검사 후 제품으로 출하한다.

그리고 석출조(35)에서 유기성 미네랄염이 석출하기 전에 익류수 반송펌프(41) 토출(吐出) 측에서 배출하여 액상상태의 유기성 미네랄염을 포장하여 검사 후 액상의 유기성 미네랄염 제품을 제조한다.

증발 탑(37)의 구조는 산업공장의 냉각탑의 구조와 동일하며, 재질은 방부처리한 목재, FRP(Fiber glass reinforced plastic), 슬레이트(slate) 등을 사용한다.

석출조(35)의 익류수가 익류수 저장조(40)로 익류되어 익류수 반송펌프(41) 에 의해서 반송되는 유량은 유입수의 유량에 2∼4배로 한다.

석출조(35), 익류수 저장조(41)와 탈수 여액 저장조(43)의 재질은 철근 콘크리트(Reinforced concrete)에 에폭시 코팅을 한 조나 티타늄이나 SUS-316L 또는 스틸 강판에 FRP수지나 에폭시 수지를 라이닝 또는 코팅한 것을 사용한다.

석출조(35)의 직경은 석출되는 유기성 미네랄염의 고형물부하가 60∼90㎏/㎡·일의 범위로, 깊이는 3∼4m로, 하부 바닥의 경사는 1.5/10∼2.5/10 범위의 구배(句配)가 되게 설계한다.

석출조(35)의 레이크(36)의 재질도 전술한 내염성 재질을 사용하던가, 스틸 강판에 에폭시 수지를 코팅하여 사용하며, 회전속도는 0.02∼0.05rpm으로 하며, 감속기의 동력은 석출조(35)의 직경과 침전된 염의 상태를 고려 토르크(Torque)를 계산하여 결정한다.

익류수 반송펌프(40), 석출된 유기성 미네랄염을 이송하는 스크루컨베이어(42), 탈수 여액 이송펌프(44) 및 탈수기의 재질은 티타늄이나 SUS-316L 을 사용하며, 모든 염수배관은 티타늄, SUS-316L 이나 PE(Poly ethylene), PVC(Poly vinyl chloride) 수지관을 사용한다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은, 해양 심층수는 무한한 양이 있으면서 청정성(淸淨性)과 인체에 유용한 다양한 미네랄이 함유되어 있기 때문에 동물의 뼈, 난각, 패각, 산호초를 소성하여 분쇄한 칼슘분말로 미네랄밸런스를 조정하면서 유기성 첨가제를 첨가하여 활성화처리(자화처리)를 하면 양질의 활성화된 유기성 미네랄염을 생산할 수 있기 때문에 이들 분야에 널리 보급될 수 있는 효과가 있을 것으로 기대된다.

Claims (8)

1. 수심 200m이하의 해양 심층수로부터 해양 심층수의 전처리단계, 간수의 탈염 단계, 탈염미네랄수의 황산 이온제거단계, 칼슘분말을 생산하는 단계, 미네랄밸런스조정, 첨가제 혼합 및 자화처리단계, 증발농축 및 미네랄염 석출(析出), 탈수, 건조, 포장 및 검사단계에 의한 제품을 생산하는 단계로 이루어지며, 각 단계는 각 공정이 순차적으로 이루어지는 유기성 미네랄염을 제조하는 방법.

   Ⅰ. 해양 심층수의 전처리단계

   1. 전처리공정

   수심 200m이하에서 해양 심층수를 취수하여 집수된 집수조의 해양 심층수는 20∼30℃로 가온 처리와 고압정전압처리, 자화처리와 원적외선처리로 소집단수(Microclustered water)로 처리를 하여 표면장력과 점성을 떨어뜨린 다음에 전처리여과공정으로 보내어 모래여과(Sand filter), 정밀여과(Micro filter ), 한외여과(限外濾過; Ultra filter)를 단독 또는 2가지 이상을 조합한 여과를 하여 오염 지수(FI; Fouling index) 값을 2∼4 범위로 처리하여 나노여과 및 역삼투여과공정으로 보낸다.

   2. 나노여과 및 역삼투여과공정

   전처리여과공정에서 물의 오염 지수(FI) 값을 2∼4 범위로 처리한 해양 심층수를 역삼투여과공정에서 스케일(Scale) 생성의 원인물질인 황산염(CaSO₄)의 황산 이온(SO₄ ^2-)을 나노여과공정에서 제거한 다음, 여과 수를 역삼투여과공정으로 보내어 여과된 탈염수는 음용수제조공정으로 보내고, 농축된 염수는 간수 및 소금제조공정으로 보낸다.

   3. 간수 및 소금제조공정

   역삼투여과공정에서 농축된 염수의 농축방법은 천일 염전, 진공식 다중효용증발관에 의한 농축, 전기투석에 의한 농축, 진공증발농축, 분무농축, 가마에서 가열하여 전오염(煎熬鹽)을 석출하는 농축하는 방법 중에서 단독 또는 2가지 이상의 방법을 조합한 방법에 의해서 보메도 비중이 26°Be까지 농축하면 NaCl이 석출(析出)하기 시작하여 KCl, MgSO₄, MgCl₂, MgBr₂이 석출하기 시작하는 32°Be 보메도 비중까지 농축하면서 석출된 소금은 탈수-건조하여 소금제품을 생산하면서 보메도 비중이 32°Be이상에서 석출된 소금을 탈수시 여액인 간수(Bittern)는 간수 탈염단계의 간수 저장조(1)로 보낸다.

   Ⅱ. 간수 탈염단계

   간수 저장조(1)에 공급된 간수는 간수 이송펌프(2)에 의해서 탈염 전기투석장치(3)의 탈염실(10)로 공급하여 간수 저장조(1)로 반송하고, 염수 저장조(12)의 염수를 염수 이송펌프(13)에 의해서 염농축실(11)로 공급하여 염수 저장조(12)로 반송하면서 정류기(14)로부터 직류전류를 인가하면 Na⁺, K⁺와 같은 1가 양이온만 음극(5) 쪽의 1가 양이온선택교환 격막(9)을 통과하여 염농축실(11)로 이동하게 되며, 1가 음이온인 Cl^- 이온은 1가 음이온만 양극(4) 쪽의 1가 음이온선택교환 격막(8)을 통과하여 염농축실(11)로 이동하게 되어 염수 저장조(12)의 보메도 비중이 11∼22°Be범위로 농축된 염수는 보메도 비중계 BIS(Baume indicating switch)로 솔레노이드밸브(ⓢ)를 작동하여 소금제조공정으로 보내고, 탈염된 간수 중의 NaCl의 농도가 400∼800㎎/ℓ범위로 탈염처리가 되면 일부는 간수 저장조(1)로 반송하고, 탈염된 간수인 탈염 미네랄수는 전기전도율지시제어기(ECIS: Electric conductivity indicating switch)의 전기전도율이 6∼12㎳/㎝ 범위에서 솔레노이드밸브(Solenoid valve; ⓢ)를 작동하여 탈염미네랄수의 황산 이온제거단계의 탈염미네랄수 저장조(15)로 보낸다.

   Ⅲ. 탈염미네랄수의 황산 이온제거단계

   탈염 미네랄수가 탈염 미네랄수 저장조(15)에 공급되면 탈염미네랄수 이송펌프(16)로 탈미네랄실(24)에 공급하여 탈염 미네랄수 저장조(15)로 반송하고, 탈황산이온 미네랄수저장조(26)의 탈황산이온 미네랄수를 탈황산이온미네랄수 이송펌프(27)에 의해서 미네랄 농축실(25)로 공급하여 탈황산이온 미네랄수 저장조(26)로 반송하면서 정류기(28)로부터 직류전류를 인가하면 탈염 미네랄수 중의 1가 및 2가 이상 다가(多價)의 모든 양이온은 음극(19) 쪽의 양이온선택교환 격막(22)을 통과하여 미네랄 농축실(25)로 이동하게 되며, 음이온은 1가 음이온인 Cl^- 이온만 양극(18) 쪽의 1가 음이온선택교환 격막(23)을 통과하여 미네랄 농축실(25)로 이동하게 되어 각종 미네랄성분과 1가 음이온이 제거된 황산 이온 함유수는 전기전도율지시제어기(ECIS: Electric conductivity indicating switch)의 전기전도율이 8∼20㎳/㎝로 떨어지면 솔레노이드밸브(Solenoid valve; ⓢ)를 작동하여 방류하고, 탈황산이온 미네랄수 저장조(26)의 보메도 비중이 10∼24°Be 범위로 농축된 탈황산이온 미네랄수는 보메도 비중계 BIS(Baume indicating switch)로 솔레노이드밸브(ⓢ)를 작동하여 미네랄밸런스조정 및 첨가제 혼합조(29) 보낸다.

   Ⅳ. 칼슘분말을 생산하는 단계

   소뼈(牛骨)와 같은 동물의 뼈, 난각(卵殼), 굴 껍질(牡蠣殼)과 같은 조개 껍질(貝殼), 산호초(珊瑚礁)를 800∼1,200℃로 2∼3시간 동안 소성하여 300∼400 메쉬(mesh)의 입자로 분쇄(分碎)하여 미네랄밸런스 조정제인 칼슘분말을 만든다.

   Ⅴ. 미네랄밸런스조정, 첨가제 혼합 및 자화처리단계

   간수에서 NaCl과 황산 이온(SO₄ ^2-)이 제거된 탈황산이온 미네랄수가 미네랄밸런스조정 및 첨가제 혼합조(29)에 공급되면 칼슘분말을 Ca/Mg의 중량비가 2.0∼6.0의 비율이 되게 공급을 하고, 트레할로스(Trehalose)는 미네랄수 중의 무기 미네랄함량에 0.01∼5wt%범위로 주입하고, 유기착화합물을 생성할 수 있는 유기산은 아스코르브산(Ascorbic acid), 구연산(Citric acid), 호박산(Succinic acid), 초산(Acetic acid), 이타콘산 (Itaconic acid), 주석산(Tartaric acid), 피루브산(Pyruvic acid), 사과산(Malic acid), 푸마르산(Fumaric acid), 시스-아코니틴산(Cis-aconitic acid ), 옥살호박산(Oxalsuccinic acid),α－케토글루타르산(α-Ketoglutaric acid), 카페인산(Caffeic acid), 신남산(Cinnamic acid, Sinapinic acid), 쿠마린산(Coumaric acid), 젖산(Lactic acid), 현미식초, 사과식초, 포도식초, 매실식초, 감식초, 목초산(Wood vinegar)을 단독 또는 2종류 이상 혼합한 것을 무기 미네랄 함량에 10∼500wt%의 비율로 첨가하고, 아미노산(Amino acid)으로 아스파라긴산(Aspartic acid), 트레오닌(Threonine), 세린(Serine), 글루타민산(Glutaminic acid), 프롤린(Proline), 글리신(Glycine), 알라닌(Alanine), 시스틴(Cystine), 발린(Valine), 이소류신(Isoleucine), 페닐알라닌(Phenylalanine), 히스티딘(Histidine), 리신(Lysine), 타우린(Taurine), 호스호에타노르아민, 아스파라긴산(Asparaginic acid), 트레오닌(Threonine), 세린(Serine), 프롤린(Proline), 글리신(Glycine), 알라닌(Alanine), 페닐알라닌(Phenylalanine), 아미노낙산(Aminobutyric acid), 히스티딘(Histidine), 히드록시리신(Hydroxylysine), 오르니틴(Ornithine)을 단독 또는 2종류 이상 혼합한 것을 무기 미네랄 함량에 0.0001∼0.01wt%의 비율로 첨가하고, 미네랄밸런스조정 및 첨가제 혼합조 교반기(30)로 0.5∼2시간 동안 교반하여 유기성 미네랄염을 제조한 다음, 미네랄수 이송펌프(31)에 의해서 원적외선을 방사하는 세라믹스(Ceramics)와 마이너스 이온(Minus ion)을 방사하는 세라믹스를 동일 용적 비로 충전한 충전물(33)이 충전(充塡)된 충전 탑(32)으로 보낸 다음, 정전압도전관(靜電壓導電管) 자화기(磁化器; 34)로 보내어 도전관에 감은 코일(Coil)에 0.5∼5V 범위의 교류 또는 직류의 저전압(低電壓)을 인가하여 자화처리를 한 후에 유입수 유량의 1∼4배로 미네랄밸런스조정 및 첨가제 혼합조(29)로 반송하면서 증발 탑(37) 상부로 보낸다.

   Ⅵ. 증발농축 및 미네랄염 석출(析出), 탈수, 건조, 포장 및 검사단계에 의한 제품을 생산하는 단계

   미네랄밸런스의 조정과 첨가제를 혼합하고, 미네랄활성화를 위해 자화처리를 하여 활성화된 유기성 미네랄염이 증발탑(32)에 공급되면 석출조(35) 익류수 반송액과 탈수 여액과 함께 증발 탑(37) 상부의 분무노즐(38)을 통해 분무하면서 배기 팬(39)의 작동에 의해서 대기 중의 건조공기가 증발 탑(37) 하부로부터 흡입되어 유기성 미네랄염수와 향류접촉(向流接觸)을 하면서 유기성 미네랄염수 중의 수분이 증발된 후 석출조(35)로 떨어져 상부로 익류하는 익류수는 익류수 저장조(40)로 보낸 다음, 익류수 반송펌프(41)에 의해 증발 탑(37) 상부로 반송하고, 석출된 유기성 미네랄염은 석출조(35) 하부로 침전되면 레이크(36)에 의해서 석출조(35) 하부중앙의 콘(Cone) 부분으로 모이면 스크루컨베이어(42)에 의해서 탈수공정에 공급하여 탈수 여액은 탈수 여액 저장조(43)로 보낸 다음. 탈수 여액이송펌프(44)에 의해서 증발 탑(37) 상부로 반송하고, 탈수된 유기성 미네랄염은 건조공정으로 보내어 건조하여 고상의 유기성 미네랄염을 제조한다.
2. 제 1항에 있어서, 간수의 탈염 단계의 소금제조공정에서 배출되는 간수가 전기투석공정에 의해서 소금을 제조하는 공정에서 배출되는 간수는 간수 중에 황산 이온의 농도가 낮기 때문에 탈염된 간수인 탈염 미네랄수 중에서 황산 이온 농도가 200㎎/ℓ 이하로 존재하는 경우에는 탈염된 간수인 탈염미네랄수는, 미네랄조성조정공정의 미네랄밸런스조정 및 첨가제 혼합조(29)로 보내는 공정에 의해서 유기성 미네랄염을 제조하는 방법.
3. 제 1항에 있어서, 미네랄밸런스조정, 첨가제 혼합 및 자화처리단계의 정전압도전관 자화기(34) 대신에 12,000∼15,000G(Gauss)범위로 착자(着磁)된 영구자석을 설치하는 공정에 의해서 유기성 미네랄염을 제조하는 방법.
4. 제 1항에 있어서, 증발농축 및 미네랄염 석출(析出), 탈수, 건조, 포장 및 검사단계에 의한 제품을 생산하는 단계의 석출조(35)에서 유기성 미네랄염이 석출하기 전에 익류수 반송펌프(41) 토출(吐出) 측에서 배출하는 공정에 의해서 액상의 유기성 미네랄염을 제조하는 방법.
5. 제 1항에 있어서, 충전탑(32)의 원적외선을 방사하는 세라믹스와 마이너스 이온을 방사하는 세라믹스 충전물(33) 대신 천연광물 중에서 원적외선과 마이너스 이온을 방사하는 전기석(電氣石), 천매암(千枚岩), 석영반암(石英斑岩) 중에서 단독 또는 2종류 이상을 혼합한 충전물(33)을 충전한 공정에 의해서 유기성 미네랄염을 제조하는 방법.
6. 제 1항의 탈염미네랄수의 황산 이온제거단계에서 생산되는 탈황산이온 미네랄수를 증발농축 및 미네랄염 석출(析出), 탈수, 건조, 포장 및 검사단계에 의한 제품을 생산하는 단계의 증발 탑(37)으로 보내어 미네랄염을 제조하는 방법.
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