KR101150995B1

KR101150995B1 - 커피오일 회수방법

Info

Publication number: KR101150995B1
Application number: KR1020100078526A
Authority: KR
Inventors: 이정철; 황현주; 김준수
Original assignee: 동서식품주식회사
Priority date: 2010-08-13
Filing date: 2010-08-13
Publication date: 2012-06-13
Also published as: KR20120015956A

Abstract

본 발명은 인스턴트 커피의 제조 과정에서 발생된 부산물인 커피 잔여물의 탈수액으로부터 커피오일을 회수하는 방법에 관한 것으로서, 추출공정을 거친 커피 잔여물을 압착설비로 탈수하여 탈수액을 얻는 단계; 그 탈수액을 탱크에 저장하고 교반하여 혼합액을 만드는 단계; 및 교반된 혼합액을 원심 분리하여 커피오일을 분리해내는 단계; 를 포함하는 커피오일 회수방법을 제공한다.

Description

커피오일 회수방법{A method for recovering of coffee oil}

본 발명은 커피오일 회수방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인스턴트 커피의 제조 과정에서 발생하는 부산물인 커피 잔여물의 탈수액으로부터 원심분리를 통해 커피오일을 회수하는 커피오일 회수방법에 관한 것이다.

인스턴트 커피는 커피 원두(green bean)를 볶음(roasting), 분쇄(grinding), 추출(extraction), 여과(percolation), 농축(concentration) 및 건조(drying) 공정을 거쳐 음용할 수 있는 파우더로 제조된다.

이 과정에서 추출이 끝난 커피 잔여물은 탈수된 후 일반적으로 버려지게 되는데, 본 발명은 추출 후의 커피 잔여물을 탈수하여 만든 탈수액 중에 존재하는 커피오일을 원심분리를 이용하여 용이하게 분리해내는 커피오일 회수방법에 관한 것이다.

커피오일 제조방법은 볶은 커피의 방향 회수(US 3,406,074), 분쇄 배전 커피의 압착(UK 1,532,662) 등과 같이 방향성분을 포함하고 있는 볶은 커피에서 압착법으로 방향 커피오일을 회수하거나, 볶은 커피 원두를 열수로 추출한 커피 추출액 중의 오일성분을 유기용매법으로 추출하는 방법 등이 있다.

그러나, 상기 종래의 볶은 커피 원두를 압착하여 커피오일을 착유하는 방법의 경우 물리적으로 볶은 커피를 가압하므로 이 과정에서 커피에 포함된 오일들이 압착된 커피 원두 표면에 붙게 되어 1차 착유가 끝난 볶은 커피 원두를 추출기에 다시 넣으면 커피 원두 표면에 붙은 오일이 막을 형성하여 수용성 성분의 추출 수율이 현저히 떨어지는 문제점이 있다.

또한, 커피 추출액 중의 오일성분을 유기용매로 추출하는 방법의 경우는 유기용매 자체가 식품에 포함돼서는 안되는 물질이므로 문제점이 되었다.

본 발명은 위와 같은 종래의 오일 회수방법이 갖는 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 볶은 커피 원두를 분쇄하여 추출하고 남은 커피추출 잔여물로서의 커피박에서 커피오일을 채유하는 커피오일 회수방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 위와 같은 목적은, 추출공정을 거친 커피 잔여물을 압착설비로 탈수하여 탈수액을 얻는 단계, 그 탈수액을 탱크에 저장하고 교반하여 혼합액을 만드는 단계 및 교반된 혼합액을 원심분리하여 커피오일을 분리해내는 단계; 를 포함하는 커피오일 회수방법을 제공함으로써 달성된다.

본 발명은 상기 탈수단계에서 추출 잔여물의 함수율이 30~80%, 보다 바람직하게는 50~70%가 되도록 압착, 탈수하는 것을 특징으로 한다.

상기 교반 단계에서 혼합액은 불용성 고형분 2~30부피%, 커피오일 1~5부피%, 수분 65~97 부피%로 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

상기 교반 단계에서 혼합액의 온도를 40~100℃, 보다 바람직하게는 60~95℃로 유지한다.

상기 원심 분리는 3상 스크류식 원심분리기로 수행되거나, 또는 2상 스크류식 원심분리기 및 2상 디스크타입 원심분리기를 순차적으로 사용하여 수행될 수 있다.

상기 3상 스크류식 원심분리기는 혼합액의 층 분리용 조절링의 직경이 132.5~127.5mm, 보울 회전수가 4000~5200rpm, 혼합액의 유입유량이 500~1000kg/hr, 보울과 스크류 컨베이어의 차속이 10~20rpm인 조건에서 수행되는 것이 바람직하다.

본 발명의 커피오일 회수방법은 재료비의 추가적인 부담 없이 커피 추출 잔여물에서 오일을 채유하는 것으로서 커피오일 생산단가에서 기존의 방법들에 비해 매우 우수한 경제성을 가진다.

예컨대, 커피원두의 가격이 약 3,000 원/kg이고 오일 추출 수율이 약 10%라고 가정하면 가공비를 제외하고도 커피오일의 재료비는 약 30,000원/kg이 부담되는데, 본 발명에 의하면 이러한 재료비의 추가적인 부담 없이 커피오일을 얻을 수 있어 생산단가가 낮다.

또한, 본 발명은 커피 잔여물의 탈수액으로부터 원심분리를 통해 커피오일을 회수하는 방법으로 종래의 기술인 압착법과는 큰 차이가 있는데 종래의 압착법으로 볶은 커피 원두를 압착하여 채유한 커피오일은 방향 성분을 갖게 되어 별도의 탈취공정을 더 거쳐야 하는데 반해 본 발명의 커피오일 회수방법은 방향 성분이 없는 커피오일을 채유할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 커피오일 회수방법을 나타낸 흐름도.
도 2a는 본 발명의 실시예에 사용되는 3상 스크류식 원심분리기를 도시한 도면.
도 2b는 도 2a의 3상 스크류식 원심분리기의 A-A 단면을 도시한 단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 사용하는 2상 스크류식 원심분리기 및 2상 디스크타입 원심분리기를 도시한 도면.

이하 본 발명을 그 실시예에 의해 첨부도면을 참고로 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 의한 커피오일의 회수방법의 흐름도로서, 볶은 커피원두를 분쇄한 후 통상의 추출공정(101)을 거친 1차 커피 잔여물(A)이 추출기 하부에 잔류하던 추출여액과 혼합된 상태로 추출 칼럼으로부터 배출되어 사일로에 잠시 저장(102)되는데, 추출여액은 사일로에 보관 중에 외부로 배출(102a)되고 남은 2차 커피 잔여물(A')이 압착설비로 보내지며, 2차 커피 잔여물(A')은 압착설비에서 압착(103)되어 탈수액(B)과 추출 잔여물(C)로 나뉘어지며, 이러한 압착 과정 중에 추출 잔여물(C)의 불용성 고형분(G) 중 일부가 회수되어 탈수액(B)과 함께 저장 탱크에 저장되고 교반(104)되어 혼합액(H)이 되며, 이 혼합액(H)은 커피오일(F), 물(D), 및 최종 추출 잔여물인 고형물(E)로 원심 분리(105)되는 공정이 도시되어 있다.

이러한 커피오일 회수방법의 추출(101), 저장(102), 압착(103), 교반(104) 및 원심분리(105) 공정을 아래에 보다 상세히 설명한다.

커피 원두의 오일 함량은 원두의 종류에 따라 차이가 있지만 통상 커피 원두(green bean)에는 9~18%(dry base), 볶은 커피 원두에는 11~20%(dry base)로 존재하며, 커피오일은 추출 공정에서 씻겨 나가기도 하지만, 대부분은 커피박 내부에 여전히 남아있게 된다.

고온 고압의 추출 공정(101)을 거쳐 추출 칼럼으로부터 배출되어 사일로 등에 잠시 저장(102)되는1차 커피 잔여물(A)은 추출기 내부에 스팀을 주입하여 가압한 후 추출기의 하부밸브를 열어 추출여액과 혼합된 상태로 사일로로 배출되는 것으로서, 사일로에 보관 중에 추출여액이 외부로 배출(102a)되고 남은 2차 커피 잔여물(A')이 압착 설비로 보내진다.

이후 2차 커피 잔여물(A')은 압착 설비에서 다공성 스크린을 연속적으로 통과하면서 압착(103)되어 탈수액(B)과 30~80%, 보다 바람직하게는 50~70%로 함수율이 낮아진 추출 잔여물(C)로 나뉘어지며, 이때 2~15부피% 정도의 불용성 고형분(G)과 추출 공정에서 추출되지 않고 압착으로 용출된 일부의 오일이 다공성 스크린을 통과하여 함께 배출되어 탈수액(B)에 혼입된다.

따라서, 압착 설비로 투입된 함수율 75~85%의 2차 커피 잔여물(A')을 30~80%, 보다 바람직하게는 50~70%의 함수율로 압착하여 탈수액에 혼입된 불용성 고형분(G) 내부의 오일을 용출시킴으로써, 후 공정에서 원심분리로 오일을 용이하게 회수할 수 있다.

압착설비로부터 나온 탈수액(B)과 불용성 고형분(G)은 저장탱크에 저장되고 교반(104)되어 혼합액(H)이 되며, 이 혼합액(H)은 불용성 고형분 2~30부피%, 수분 65~97부피% 그리고 커피오일 1~5부피%의 세가지 성분으로 구성되며, 커피 오일의 회수를 위한 원심분리에 혼합액(H)이 사용되기 전까지 저장탱크 내에서 위와 같은 세 가지 성분이 균일하게 혼합되도록 충분히 교반되어야 한다.

혼합액(H)에는 혼입된 불용성 고형분(G) 내의 추출되지 않은 커피오일과 탈수액(B)에 포함된 커피오일들이 함께 존재하므로 혼합액(H) 중 커피오일의 총 함량은 약 1~5부피%이다.

이때, 불용성 고형분의 함량이 30부피% 이상인 경우 오일 회수율은 높으나 원심분리기의 운전부하가 크게 증가하여 원활한 운전이 되지 않으므로 너무 많은 불용성 고형분이 함유된 혼합액은 오일회수에 오히려 불리하며, 불용성 고형분 함량이 2부피% 이하가 되면 커피오일의 양이 너무 적어 원심분리 시 커피오일 층이 매우 얇아져서 분리가 어려워지므로 탈수율을 조절하여야 한다.

커피오일의 비중은 온도에 반비례하여 온도가 높아지면 그 비중이 낮아지므로, 오일의 비중을 낮추기 위해 저장탱크의 온도를 높여주는 것이 바람직하며, 실험결과 혼합액(H)의 온도를 40~100℃, 보다 바람직하게는 60~95℃로 가온하였을 때 원심분리에 의한 커피오일의 회수율이 가장 우수함을 알 수 있었다.

불용성 고형분의 비중은 온도에 민감하지 않으며 커피오일(C)과 물(D)에 비하여 큰 반면 커피오일(C)은 0.9~0.95의 비중을 가지고 있어 물(D)과 유사하기 때문에 원심분리기 내에서 층 분리를 용이하게 하기 위해선 혼합액의 온도를 높여 커피오일(C)의 비중을 낮춤으로써 물(D)과의 비중 차이를 크게 하여야 하는 것이다.

도 2a는 본 발명의 실시에 사용되는 3상 스크류식 원심분리기의 일예를 도시한 것이고, 도 2b는 도 2a의 A-A선 단면도로서, 3상 스크류식 원심분리기(200)는 보울(201)과, 보울(201)의 내부에 동심으로 설치된 스크류 컨베이어(202)가 고속 회전하도록 구성되며, 스크류 컨베이어(202)는 보울(201) 보다 약간 빠르게 회전하도록 되어있다.

이러한 3상 스크류식 원심분리기(200)의 보울(201)의 내부로 혼합액(H)이 투입되면 비중이 무거운 고형물(E)은 보울(201)의 내벽으로 침강하여 스크류 컨베이어(202)의 나선부에 의해 보울(201)의 원추부(206)로 이송되어 상기 원추부(206)의 일측에 위치한 고형물 배출구(203)를 통해 외부로 배출된다.

이때, 고형물(E)에서 분리된 물과 커피오일은 그 비중 차이로 인해 중상(heavy phase)인 물(207)과 경상(light phase)인 커피오일(208)로 층을 이루며 분리된 후, 상기 스크류 컨베이어(202)의 축 방향으로 상승되어 그 나선부를 따라 회전되면서 원심력과 구심펌프(도시하지 않음)의 압력에 의해 원추부(206)의 반대편에 위치한 물 배출구(205)와 커피오일 배출구(204) 쪽으로 이송 및 배출된다.

커피오일(208)은 조절 튜브(regulating tube)(210)로 넘쳐서(209) 분리 배출되고, 물(207)은 보울(201) 단부에 설치된 댐(211)을 통해 물 배출구(205)로 배출된다.

혼합액의 불용성 고형분의 함량에 따른 커피오일 생산량

불용성 고형분 함량(부피%)	커피오일 함량(부피%)	커피오일 생산량(ml/min)
1.02 2.00 2.24 3.85 3.94 5.41 15.40 24.20 30.00 34.40	0.30 1.00 1.00 1.10 1.20 1.50 3.20 4.70 5.00 6.40	2.10 43.00 56.00 100.00 170.00 220.00 270.00 310.00 320.00 340.00

위의 실시예에서 혼합액의 불용성 고형분 함량에 따른 커피오일의 함량과 커피오일의 생산량이 표1에 나타나 있다. 이때, 혼합액은 960kg/h로 원심분리기로 투입된다.

표 1에 나타난 바와 같이, 연속적으로 유입되는 혼합액(H) 내의 불용성 고형분의 온도는 혼합액과 같고 함량은 약 2~30부피%였으며, 불용성 고형분의 함량이 3.85% 이하일 경우는 커피오일의 생산량이 100ml/min 미만이고, 2.00% 이하일 경우에는 더욱 현저히 저하되었으나, 압착 탈수(103)단계에서 약 30~60분 동안 50~95℃로 템퍼링(tempering) 효과를 주면서 압착함으로써 압착 설비의 다공성 스크린을 통과하여 하부의 저장탱크로 탈수액(B)과 함께 배출되는 불용성 고형분(G)의 함량을 30부피% 수준으로 증가시킨 결과, 커피오일 생산량이 320ml/min으로 증가함을 알 수 있다.

그리고, 혼합액을 불용성 고형분, 물 및 커피오일로 분리하기 위해 3상 원심분리기를 사용하였으나, 혼합액의 특성상 불용성 고형분이 비교적 많이 존재하고 불용성 고형분의 입자크기가 크기 때문에 적절한 원심분리기로는 스크류식 디캔터가 더 바람직할 것으로 생각된다.

3상 스크류식 원심분리기의 운전조건에 따른 오일의 회수율

조절링 다이아미터 물, 중상 (Heavy phase) 커피오일, 경상 (Light phase)	mm mm	130.0 127.5	132.5 130.0	132.5 127.5
유입유량	Kg/hr	500~600	500	900~1000
템퍼링온도	℃	60~95	60~95	60~95
보울 회전 속도 (Bowl speed)	rpm	4000~5200	4000~5200	4000~5200
보울과 스크류 컨베이어의 회전 속도 차이 (Differential Speed)	rpm	10~20	10~20	10~20
오일 회수율	wt %	0.49	0.20	0.38

3상 스크류식 원심분리기의 운전조건에 따른 커피 오일의 회수율이 표 2에 나타나 있다.

상기 조절링 다이아미터는 물층(207) 및 커피오일층(208)의 높이를 조절하는 외측링(212)과 내측링(213)의 직경을 나타내는 것으로서 상기 외측링(212)과 내측링(213)의 조합에 따라 오일의 회수율이 달라진다.

예컨대, 물의 조절링 다이아미터(mm)가130.0이라는 것은 물+오일층의 전체 높이를 결정하는 외측링(212)의 직경이 130.0mm이라는 것이며, 외측링(212)과 내측링(213)의 다이아미터 차이인 링갭(ring gap, RG)은 커피오일과 물이 분리되는 영역이다.

본 실시예에서는 외측링(212)은 130.0~132.5mm의 것이 사용되었고, 내측링(213)은 127.5~130.0mm 의 것이 사용되었다.

실시예에 의한 실험결과, 커피오일의 효율적인 분리를 위한 3상 스크류식 원심분리기의 운전 조건으로는 보울의 회전속도(bowl speed)가 4000~5200rpm이고, 보울(201)과 스크류 컨베이어(202)의 회전속도 차이는 약 10~20rpm이고, 공급되는 혼합액의 온도는 60~95℃이며, 원심분리기 내에서 상 평형이 깨지지 않도록 혼합액이 일정량 연속적으로 공급되는 것이 바람직하였다.

혼합액의 온도 조건별 커피 오일의 회수율

링갭 (Ring gap)
보울 회전수
차속
온도
회수율

130 ~ 127mm
4800~5200rpm
10~20rpm
60~70℃
0.34 w/w%

130 ~ 127mm
4800~5200rpm
10~20rpm
70~80℃
0.45 w/w%

130 ~ 127mm
4800~5200rpm
10~20rpm
80~95℃
0.55 w/w%

혼합액의 온도가 오일의 회수율에 미치는 영향이 표 3에 나타나 있다. 표 3에 나타난 바와 같이, 다른 조건이 동등한 상황에서 혼합액의 온도가 60℃ 이상일 때 그 온도가 높을수록 오일의 회수율은 더 향상되었다.

본 발명의 제2실시예로서, 2상 스크류식 디캔터로 불용성 고형분과 물+커피오일의 혼합액을 분리한 후, 다시 2상 디스크 타입의 원심분리기를 사용하여 상기 물+커피오일의 혼합액으로부터 커피오일을 분리할 수 있다.

본 발명의 제2 실시예를 아래와 같이 도 3을 참고로 설명하며, 다만 상기 제1실시예와 유사한 부분은 중복을 피하기 위하여 관련된 상세한 설명을 생략한다.

도 3은 본 발명의 제2실시예에 사용되는 2상 스크류식 디캔터와 2상 디스크 타입 원심분리기를 도시한 것으로서, 2상 스크류식 디캔터(300)로 투입된 혼합액(H) 중 고형물은 스크류 컨베이어(302)의 나선부에 의해 디캔터의 원추부로 이송되어 보울(301)의 원추부에 위치한 고형물 배출구(303)로 배출되고, 물+커피오일의 혼합액은 보울(301)의 원추부와 반대편 단부에 위치한 물+커피오일 배출구(304)를 통해 2상 디스크 타입의 원심분리기(305)로 투입된다.

그리고, 2상 디스크 타입 원심분리기(305)에 투입된 물+커피오일의 혼합액은 다시 물과 커피오일로 원심 분리되어 도 3에 도시된 바와 같이 각각 분리 배출된다.

위에서 본 발명을 실시예에 의해서 설명하였으나, 본 발명은 위의 실시예에 의해 제한되지 않으며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 여러 가지 변형, 변경 및 수정을 할 수 있음은 물론이며, 본 발명의 범위는 특허청구의 범위에 의해 정해진다.

A ; 1차 커피 잔여물 A' ; 2차 커피 잔여물
B ; 탈수액 C ; 추출 잔여물
D ; 물 E ; 고형물
F ; 커피오일 G ; 불용성 고형분
H ; 혼합액 200 ; 3상 스크류식 원심분리기
201 ; 보울 202 ; 스크류 컨베이어
210 ; 조절 튜브 300 ; 2상 스크류식 디캔터
301 ; 보울 302 ; 스크류 컨베이어
303 ; 고형물 배출구 304 ; 배출구
305 ; 2상 디스크 타입의 원심분리기

Claims

추출공정을 거친 커피 잔여물을 압착설비로 탈수하여 탈수액을 얻는 단계;
그 탈수액을 탱크에 저장하고 교반하여 혼합액을 만드는 단계; 및 교반된 혼합액을 원심 분리하여 커피오일을 분리해내는 단계; 를 포함하는 커피오일 회수방법.
제1항에 있어서,
상기 탈수단계에서 추출 잔여물의 함수율이 30~80%가 되도록 압착 탈수하는 것을 특징으로 하는 커피오일 회수방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 교반 단계에서의 혼합액이 불용성 고형분 2~30부피%, 커피오일 1~5부피%, 수분 65~97부피%로 이루어진 것을 특징으로 하는 커피오일 회수방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 교반 단계에서 혼합액의 온도가 40~100℃로 유지되는 것을 특징으로 하는 커피오일 회수방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 원심분리는 3상 스크류식 원심분리기로 수행되는 것을 특징으로 하는 커피오일 회수방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 원심분리는 2상 스크류식 원심분리기와 2상 디스크타입 원심분리기를 순차적으로 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 커피오일 회수방법.
제5항에 있어서,
상기 3상 스크류식 원심분리기는 층 분리용 조절링의 직경이132.5~127.5mm, 보울 회전수가 4000~5200rpm, 혼합액의 유입유량이 500~1000kg/hr, 보울과 스크류 컨베이어의 차속이 10~20rpm인 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는 커피오일 회수방법
제2항에 있어서,
상기 탈수단계에서 추출 잔여물의 함수율이 50~70%가 되도록 압착탈수하는 것을 특징으로 하는 커피오일 회수방법.
제4항에 있어서,
상기 교반 단계에서 혼합액의 온도가 60~95℃로 유지되는 것을 특징으로 하는 커피오일 회수방법.