KR101848698B1 - 실질적으로 건조된 고체의 제어된 농축 및 고체 회수를 위한 방법 - Google Patents

실질적으로 건조된 고체의 제어된 농축 및 고체 회수를 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용액, 슬러리, 에멀션, 분산액, 겔, 반고체 등으로부터 원 포트 고체 회수를 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 더욱 이 시스템 및 방법은 비용 효율적 에너지 효율적 공정을 용이하게 실시할 수 있는 용액, 슬러리, 에멀션, 분산액, 겔, 반고체 등의 제어된 농축을 위해 사용될 수 있다. 이 시스템 및 방법은 효과적 열전달을 위해 공정에서 사용되는 액체 매체와 기체 매체 사이의 접촉을 증진시키도록 구성된다. 이 시스템 및 방법은 식품, 영양보조식품, 천연 산물, 의약품, 화학물질 등과 관련되는 용도에서 실질적으로 건조된 고체의 제어된 농축 및/또는 회수를 위해 사용될 수 있다.

Description

실질적으로 건조된 고체의 제어된 농축 및 고체 회수를 위한 방법{A METHOD FOR CONTROLLED CONCENTRATION AND/OR RECOVERY OF SUBSTANTIALLY DRY SOLIDS}
본 발명은 용액, 슬러리, 겔, 반고체 등으로부터 원 포트(one pot) 고체 회수를 위한 시스템 및 이를 이용한 고체 회수 방법에 관한 것이다. 더 나아가 이 시스템 및 방법은 용액, 슬러리, 겔, 반고체 등의 제어된 농축을 위해 사용될 수 있다.
용액, 슬러리, 분산액, 에멀션, 겔, 반고체 등으로부터 고체의 회수는 증발, 역삼투, 한외여과, 침투증발, 동결 농축, 포접화(clathration) 등을 포함하는 다양한 공정에 의해 용매 및/또는 분산매를 제거하는 것을 포함한다. 이와 같은 공정은 일반적으로 분사 건조기, 드럼 건조기, 동결 건조기, 폼-매트(foam-mat), 유동층 건조기 등과 같은 다양한 유형의 설비를 사용하여 실행된다.
분사 건조기는 통상적으로 용액/슬러리로부터 고체의 회수를 위해 사용된다. 유사하게 유동층 건조기는 통상적으로 젖은 고체를 건조시키기 위해 사용되지만 용액, 분산액, 슬러리, 에멀션, 겔, 반고체 등으로부터 고체의 회수를 위해서는 사용될 수 없다.
실질적으로 건조된 고체를 회수하기 위한 용액, 분산액, 슬러리, 에멀션, 겔, 반고체 등의 처리에 관련된 기술에서의 과제는 에너지 효율적 공정을 용이하게 실시할 수 있는 비용 효율적 설비/시스템을 제공하는 것에 있다. 본 발명은 이러한 기술적 공백에 대처한다.
정의
본 명세서에서 사용될 때 용어 "실질적으로 건조된 고체"는 재료의 유형과 특질 및 그것의 결정을 위해 사용되는 방법에 따라 10 중량% 미만의 고체, 바람직하게는 5 중량% 미만의 고체, 더 바람직하게는 2 중량% 미만의 고체, 그리고 가장 바람직하게는 1 중량% 미만의 고체가 되도록 "건조에 의한 손실"을 의미하는 것으로 한다.
본 발명의 주 목적은 비용 효율적 에너지 효율적 공정을 용이하게 실시할 수 있는 용액, 분산액, 슬러리, 에멀션, 겔, 반고체로부터 실질적으로 건조된 고체를 회수하기 위한 고체 회수 시스템 및 고체 회수 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 용액, 슬러리, 분산액, 에멀션, 겔, 반고체의 농축을 위한, 더 나아가 고체의 회수를 위해 고체를 실질적으로 건조시키는 단일 포트 공정을 위한 시스템 및 및 고체 회수 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 용액, 슬러리, 분산액, 에멀션, 겔, 반고체 등으로부터 실질적으로 건조된 고체의 제어된 농축 및/또는 회수를 위한 효과적 열전달을 위한 공정에서 사용되는 액체상과 기체 매체 사이의 접촉을 증진시키기 위한 시스템 및 및 고체 회수 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 식품, 영양보조식품, 천연 산물, 의약품, 화학물질 등에 관련된 용도에서 실질적으로 건조된 고체의 제어된 농축 및/또는 회수를 위한 상기 시스템의 사용 방법을 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명에 따르면, 이 시스템은,
컨테이너 모듈, 기체 가압 수단, 증기 추출 수단, 및 선택적 필터를 포함하고,
여기서 상기 컨테이너 모듈은,
가압된 기체의 통과를 위한 천공된 베이스를 구비하는 제 1 컨테이너,
측면 상에 제 1 연속적 환형 공간을 형성하기 위해, 뿐만 아니라 상기 제 1 컨테이너의 베이스와 상기 제 2 컨테이너의 베이스 사이에 기체의 유동을 가능하게 하는 공간을 한정하기 위해 상기 제 1 컨테이너 내에 배치되는 제 2 컨테이너로서,
상기 제 1 환형 공간은 상부가 폐쇄되어 있고, 상기 제 2 컨테이너의 베이스는 실질적으로 평평한 저면을 갖는, 제 2 컨테이너,
측면 상에 제 2 연속적 환형 공간을 형성하기 위해, 뿐만 아니라 제 3 컨테이너의 베이스와 상기 제 2 컨테이너의 베이스 사이에 공간을 한정하기 위해 상기 제 2 컨테이너의 내측에 배치되는 상기 제 3 컨테이너를 구비하고,
상기 제 2 환형 공간은 상부가 폐쇄되어 있고, 상기 제 3 컨테이너의 베이스는 천공 또는 통로를 구비하고;
상기 제 1 컨테이너의 베이스는 가압된 기체원의 유출구에 작동가능하게 연결되고,
상기 컨테이너 모듈은 상부에 증기 추출 수단 및 선택적 필터를 구비하는 하우징 내에 일체화된다.
액체 매체(용액/분산액/에멀션/슬러리/겔/반고체 등)는 상기 제 3 컨테이너 내에 충만되고, 가압된 기체(예를 들면, 공기)는 상기 제 1 컨테이너의 베이스로부터 상기 제 1 환형 공간을 통해 상기 제 2 환형 공간 내로, 더욱 상기 제 3 컨테이너의 베이스 내의 통로로부터 유동하여 용매를 증발시키고, 또한 회수를 위해 동일 시스템 내의 형성된 고체를 건조시킨다.
공정의 실시형태에서, 용액, 슬러리, 겔, 분산액, 에멀션, 반고체 등 내의 용매/분산매의 특질에 따라 적절한 온도 및 습도의 공기와 같은 가압된 기체가 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 개략도이고,
도 2는 컨테이너 모듈의 개략도이고,
도 3은 베이스 내의 통로의 구성 중 하나를 도시하는 개략도이다.
본 발명의 특징 및 이점은 첨부한 도면을 참조한 이하의 상세한 설명 및 바람직한 실시형태에서 명확해질 것이다.
본 발명의 개략도는 도 1에 도시되어 있다. 이것은 컨테이너 모듈(10), 기체 가압 수단(11), 팽창 체임버(12), 필터 하우징(13), 증기 배기(추출) 포트(14)를 포함한다.
컨테이너 모듈(10)의 개략도는 도 2에 도시되어 있다. 이것은 기체 통과를 위한 천공된 베이스 또는 천공된 기체 분배 플레이트(20)를 구비하는 제 1 컨테이너(1)를 포함한다. 가압된 공기와 같은 기체는 이해를 돕기 위해 도 2에서 화살표(21)로 표시되어 있다. 제 2 컨테이너(2)는 제 1 컨테이너와 제 2 컨테이너 사이에 제 1 환형 공간(22)을 한정하기 위해, 뿐만 아니라 상기 제 1 컨테이너의 베이스(20)와 상기 제 2 컨테이너(2)의 베이스(24) 사이에 공간(23)을 한정하기 위해 상기 제 1 컨테이너(1) 내에 배치된다.
상기 제 1 환형 공간(22)은 도 2에 도시된 바와 같이 상측부(25)가 폐쇄되어 있다. 상기 제 2 컨테이너(2)의 베이스(24)는 실질적으로 평평하거나 실질적으로 평평한 플레이트를 구비한다. 제 3 컨테이너(3)는 제 2 환형 공동/공간(26)을 한정하기 위해, 뿐만 아니라 상기 제 3 컨테이너의 베이스(28)와 상기 제 2 컨테이너의 베이스(24) 사이에 공간(29)을 한정하기 위해 상기 제 2 컨테이너(2)의 내측에 배치된다. 상기 제 2 환형 공간(26)은 도 2에 도시된 바와 같이 상측부(27)가 폐쇄되어 있다. 상기 제 3 컨테이너(3)의 베이스(28)는 일련의 천공/통로를 구비하거나 일련의 천공/통로를 구비하는 기체 분배 플레이트를 구비한다.
실시형태들 중 하나에서, 상기 제 1 컨테이너(1), 제 2 컨테이너(2) 및 제 3 컨테이너(3)는 각각 원추대 형상을 갖는다.
상기 제 1 컨테이너(1)의 베이스는 압축기 또는 송풍기와 같은 기체 가압 수단의 유출구와 작동가능하게 연결된다. 상기 컨테이너 모듈(10)은 도 1에 도시된 바와 같이 팽창 체임버(12) 및 더 나아가 필터 하우징(13)에 작동가능하게 연결된다.
작업 시, 용액/분산액/에멀션/슬러리/겔/반고체 등이 상기 제 3 컨테이너(3) 내에 충만된다. 가압된 기체는 상기 제 1 컨테이너(1)의 베이스(20)로부터 상기 공간(23) 및 상기 제 1 환형 공간(22)을 통해 상기 제 2 환형 공간(26) 내로 유동한다. 더 나아가 이것은 상기 제 3 컨테이너(3)의 베이스(28) 내의 통로로부터 유동하여 용액/분산액/에멀션/슬러리/겔/반고체 등과 혼합되고, 용매를 증발시키고, 최종 회수를 위해 얻어진 고체를 건조시킨다.
실시형태들 중 하나에서, 상기 제 3 컨테이너(3)는 열전달의 향상을 위해 기체와 액체 매체 사이의 접촉을 증진시키기 위해 난류를 생성하도록 액체 매체(용액/분산액/에멀션/슬러리/겔/반고체 등)의 전체 내에 기체를 분배하도록 구성되는 일련의 경사진 통로를 구비한다. 이러한 실시형태의 변형례들 중 하나에서, 통로는 수평에 대해 15˚ 내지 85˚, 바람직하게는 25˚ 내지 75˚로 경사를 이룬다.
상기 베이스(28) 내의 상기 통로의 구성 중 하나는 도 3에 도시되어 있다. 예시로서, 기체 분배 플레이트의 1/4만만이 통로의 구성을 가지도록 표시되어 있다(개별 통로는 번호 50으로 표시됨). 상기 통로는 난형, 평평한 난형, 직사각형, 원형, 정사각형, 타원형, 또는 이들의 조합과 같은 임의의 형상을 가질 수 있다. 상기 베이스(28)의 두께 대 상기 통로의 길이의 비는 0.250 내지 0.999의 범위이다.
통로의 총 면적 대 베이스의 면적의 비는 0.01 내지 0.50, 바람직하게는 0.03 내지 0.30, 더 바람직하게는 0.05 내지 0.10의 범위이다.
본 발명의 실시형태에서, 상기 통로는 이것을 통과하는 기체에 소용돌이 운동을 제공하도록 내부 톱니를 구비한다.
또 다른 실시형태에서, 상기 제 3 컨테이너의 베이스에 제공되는 통로는 둥근형, 난형, 평평한 난형, 직사각형, 정사각형 등과 같은 다양한 단면을 가질 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 복수의 통로가 상기 제 3 컨테이너의 측면에 제공된다.
다른 실시형태에서, 상기 컨테이너들 사이에 2 개를 초과하는 환형 공간을 생성하기 위해 3 개를 초과하는 컨테이너가 배치된다.
본 발명은 더욱 비제한적 실시예를 제공한다.
실시예 1:
25 kg의 물과 5 kg의 아세톤으로 6 kg의 슈크로스의 용액이 제조되었고, 제 3 컨테이너 내에 충만되었다. 제 3 컨테이너는 수평에 대해 55˚로 경사진 통로를 구비하는 기체 분배 플레이트를 구비하였다. 이 시스템은 고온의 제습된 공기의 흐름으로 예열되었다. 가압된 고온 공기가 제 1 컨테이너의 저면으로부터 시스템 내로 도입되었고, 공정은 시스템으로부터 증발된 용매 증기를 제거하기 위해 배기를 유지하면서 약 1.5 시간 동안 가동되었다. 유입 공기 온도는 약 60˚C 내지 90˚C였고, 그 결과 층의 온도는 약 30˚C 내지 55˚C였고, 유출 공기/증기 온도는 약 30˚C 내지 45˚C였다. 용액은 서서히 농축되어 고체가 발생되었고, 이것은 용매가 완전히 제거될 때까지 유동층으로서 건조되었고, 실질적으로 건조된 고체가 얻어졌다. 고체 재료가 제거되고, 중량이 측정되었다. 공정의 수율은 96.3%였고, 고체 내의 수분 함량은 약 0.7%였다.
실시예 2:
5 kg의 넌파레일 씨드(non-pareil seed)가 25 kg의 정제수에 첨가되었다. 제 3 컨테이너 내에 장입할 분산액을 얻기 위해 혼합물이 교반되었다. 제 3 컨테이너는 수평에 대해 55˚로 경사진 통로를 구비하는 기체 분배 플레이트를 구비하였다. 실시예 1에서 설명된 공정이 실행되었다. 공정의 말기에 고체 재료가 제거되고 중량이 측정되었다. 공정의 수율은 약 95%였고, 고체 내의 수분 함량은 1.5% 미만이었다.
실시예 3:
0.400 kg의 녹말이 1.5 kg의 이소프로필 알코올에 첨가되었다. 제 3 컨테이너 내에 충만시킬 분산액을 얻기 위해 혼합물이 교반되었다. 제 3 컨테이너는 수평에 대해 25˚로 경사진 통로를 구비하는 기체 분배 플레이트를 구비하였다. 이 시스템은 고온의 제습된 공기의 흐름으로 예열되었다. 가압된 고온 공기가 제 1 컨테이너의 저면으로부터 시스템 내로 도입되었고, 공정은 시스템으로부터 증발된 용매 증기를 제거하기 위해 배기를 유지하면서 약 1 시간 동안 가동되었다. 유입 공기 온도는 약 60˚C, 그 결과 층의 온도는 약 15˚C 내지 55˚C였고, 유출 공기/증기 온도는 약 20˚C 내지 45˚C였다. 용액은 서서히 농축되어 고체가 발생되었고, 이것은 용매가 완전히 제거될 때까지 유동층으로서 건조되었고, 실질적으로 건조된 고체가 얻어졌다. 고체 재료가 제거되고, 중량이 측정되었다. 공정의 수율은 약 81%였고, 고체 내의 수분 함량은 약 5.2 %였다.
실시예 4:
0.300 kg의 포비돈(povidone) K30가 0.13 kg의 정제수에 첨가되었다. 겔을 얻기 위해 혼합물이 교반되었다. 제 3 컨테이너는 수평에 대해 75˚로 경사진 통로를 구비하는 기체 분배 플레이트를 구비하였다. 정제된 활석(0.007 kg)이 제 3 컨테이너의 내벽 및 기체 분배 플레이트의 상면에 살포(도포)되었다. 제조된 겔이 제 3 컨테이너 내에 충만되었다. 이 시스템은 고온의 제습된 공기의 흐름으로 예열되었다. 가압된 고온 공기가 제 4 컨테이너의 저면으로부터 시스템 내로 도입되었고, 공정은 시스템으로부터 증발된 용매 증기를 제거하기 위해 배기를 유지하면서 약 1 시간 동안 가동되었다. 유입 공기 온도는 약 65˚C 내지 85˚C였고, 그 결과 층의 온도는 약 35˚C 내지 70˚C였고, 유출 공기/증기 온도는 약 40˚C 내지 65˚C였다. 용액은 서서히 농축되어 고체가 발생되었고, 이것은 용매가 완전히 제거될 때까지 유동층으로서 건조되었고, 실질적으로 건조된 고체가 얻어졌다. 고체 재료가 제거되고, 중량이 측정되었다. 공정의 수율은 약 90%였고, 고체 내의 수분 함량은 약 2.8%였다.
실시예 5:
0.400 kg의 젖당이 4.89 kg의 정제수에 첨가되었다. 제 3 컨테이너에 충만시킬 용액을 얻기 위해 혼합물이 교반되었다. 제 3 컨테이너는 수평에 대해 35˚로 경사진 통로를 구비하는 기체 분배 플레이트를 구비하였다. 이 시스템은 고온의 제습된 공기의 흐름으로 예열되었다. 가압된 고온 공기가 제 3.5 컨테이너의 저면으로부터 시스템 내로 도입되었고, 공정은 시스템으로부터 증발된 용매 증기를 제거하기 위해 배기를 유지하면서 약 1 시간 동안 가동되었다. 유입 공기 온도는 약 45˚C 내지 90˚C였고, 그 결과 층의 온도는 약 25˚C 내지 75˚C였고, 유출 공기/증기 온도는 약 30˚C 내지 60˚C였다. 용액은 서서히 농축되어 고체가 발생되었고, 이것은 용매가 완전히 제거될 때까지 유동층으로서 건조되었고, 실질적으로 건조된 고체가 얻어졌다. 고체 재료가 제거되고, 중량이 측정되었다. 공정의 수율은 91.75%였고, 고체 내의 수분 함량은 약 0.62%였다.
설명된 발명은 용액, 에멀션, 분산액, 슬러리, 겔, 반고체 등으로부터 원 포트 고체 회수를 가능하게 하는 설계된 시스템의 효과를 입증한다. 추가의 설비 및 공정이 용액, 슬러리, 분산액, 에멀션, 반고체, 겔 및 유사한 재료의 제어된 농축을 위해 사용될 수 있다.

Claims (7)

  1. 실질적으로 건조된 고체의 제어된 농축 및/또는 회수를 위한 방법으로서,
    a) 실질적으로 건조된 고체의 회수를 위한 시스템을 제공하는 단계 ― 여기서 상기 시스템은:
    컨테이너 모듈(10), 기체 가압 수단(11), 증기 추출 수단을 포함하되,
    상기 컨테이너 모듈은,
    가압된 기체의 통과를 위한 천공된 베이스(20)를 구비하는 제 1 컨테이너(1),
    측면 상에 제 1 연속적 환형 공간(22)을 형성하기 위해, 뿐만 아니라 상기 제 1 컨테이너(1)의 베이스(20)와 제 2 컨테이너(2)의 베이스(24) 사이에 공간(23)을 한정하기 위해 상기 제 1 컨테이너(1) 내에 배치되는 제 2 컨테이너(2)로서, 상기 제 2 컨테이너(2)의 베이스(24)는 실질적으로 평평한 저면을 갖는, 제 2 컨테이너(2),
    측면 상에 제 2 연속적 환형 공간(26)을 형성하기 위해, 뿐만 아니라 제 3 컨테이너의 베이스(28)와 상기 제 2 컨테이너(2)의 베이스(24) 사이에 공간(29)을 한정하기 위해 상기 제 2 컨테이너의 내측에 배치되는 상기 제 3 컨테이너(3)
    를 구비하고;
    상기 제 3 컨테이너의 베이스(28)는 통로(50)를 구비하고;
    상기 제 1 컨테이너(1)의 베이스(20)는 가압된 기체원의 유출구에 작동가능하게 연결되고,
    상기 컨테이너 모듈(10)은 상부에 증기 추출 수단을 구비하는 하우징 내에 일체화되며,
    상기 제 1 환형 공간의 상측부(25) 및 제 2 환형 공간(26)의 상측부(27)는 폐쇄되어 있고, 상기 제 1 연속적 환형 공간(22)과 제 2 연속적 환형 공간(26)의 사이에 서로 연통이 가능하도록 하는 영역을 구비함 ―;
    b) 용액, 분산액, 에멀션, 슬러리, 겔 또는 반고체로부터 선택된 액체 매체를 상기 제 3 컨테이너 안으로 충전하는 단계;
    c) 가압된 기체를 상기 제 1 컨테이너의 베이스로부터 상기 제 1 환형 공간을 통해 상기 제 2 환형 공간 내로 유동시키고, 나아가 상기 제 3 컨테이너의 베이스 내의 통로로부터 유동시켜 상기 액체 매체와 혼합하는 단계; 및
    d) 고체의 회수를 위해 상기 시스템 내에서 용매를 증발시켜 상기 액체 매체를 농축하고 상기 고체를 건조하는 단계
    를 포함하는 실질적으로 건조된 고체의 제어된 농축 및/또는 회수를 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 액체 매체는 용액, 분산액 및 겔로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는, 실질적으로 건조된 고체의 제어된 농축 및/또는 회수를 위한 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    향상된 열전달을 위해 상기 기체와 액체 매체 사이의 접촉을 증진시키는 난류를 생성하기 위해, 상기 제 3 컨테이너(3) 내의 일련의 경사진 통로(50)에 의해 상기 가압된 기체가 상기 액체 매체의 전체 내에 분배하도록 구성되는, 실질적으로 건조된 고체의 제어된 농축 및/또는 회수를 위한 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 기체 가압 수단은 압축기 또는 송풍기인, 실질적으로 건조된 고체의 제어된 농축 및/또는 회수를 위한 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 가압된 기체는 공기인, 실질적으로 건조된 고체의 제어된 농축 및/또는 회수를 위한 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템이 필터를 더 포함하는, 실질적으로 건조된 고체의 제어된 농축 및/또는 회수를 위한 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 컨테이너 모듈(10)은 상부에 증기 추출 수단을 구비하고 상기 필터를 구비하는 하우징 내에 일체화된, 실질적으로 건조된 고체의 제어된 농축 및/또는 회수를 위한 방법.
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