KR102606876B1 - 고체발효 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고체발효 장치 및 방법에 관한 것으로, 고체발효에 필요한 발효와 건조 등을 하나의 처리조에서 수행할 수 있도록 하면서, 발효에 필요한 조건에 빨리 도달하도록 증숙과정을 발효과정전에 미리 처리조에서 수행하고, 발효과정에서 고체원료들 사이로 공기가 충분히 공급되도록 교반기의 구조를 개선하여, 발효시간을 단축하면서 전체 생산공정을 단축하고, 건조과정에서 제습된 공기를 제공하여 발효산물의 품질저하가 발생하지 않도록 한 고체발효 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

고체발효 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR SOLID STATE FERMENTATION}
본 발명은 고체발효 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고체발효에 필요한 발효와 건조 등을 하나의 처리조에서 수행할 수 있도록 하면서, 발효에 필요한 조건에 빨리 도달하도록 증숙과정을 발효과정전에 미리 처리조에서 수행하고, 발효과정에서 고체원료들 사이로 공기가 충분히 공급되도록 교반기의 구조를 개선하여, 발효시간을 단축하면서 전체 생산공정을 단축하고, 건조과정에서 제습된 공기를 제공하여 건조시간을 단축하여 발효산물의 품질저하가 발생하지 않도록 한 고체발효 장치 및 방법에 관한 것이다.
고체 발효는 미생물의 생장과 대사에 필요한 정도의 수분을 함유한 고체상태의 배지에서 발효시키는 것을 말하는 것으로, 상기 고체상태의 배지로 통상적으로 사용되는 고체원료로는 쌀겨, 밀기울, 사탕무 펄프, 밀 및 옥수수 가루 등의 농산 부산물 등이 사용되고 있다.
이러한 고체 발효는 고체원료의 단위질량당 수분 함량이 적기 때문에 발효조 부피가 작게 되며 통기와 교반이 용이하고 오염이 제한되며, 액체원료에 비하여 전처리가 간편하여 최근에는 제약, 바이오산업, 식품산업, 바이오에너지, 농축산업 등 다양한 산업분야에서 이용되고 있다.
그러나 상기한 고체 발효는 고체원료에서의 물질(수분, 산소, 열 등)의 전달 이 용이하지 않아 액체배양에 비하여 미생물의 성장이 제한되어 배양속도가 느린 단점이 있다.
따라서, 고체배양을 원활하게 하기 위해서는 고체원료 사이에서 수분과 산소, 열 등의 전달을 원활하게 할 필요가 있으며 이를 구체적으로 살펴보면 하기와 같다.
우선 고체발효에서는 고체원료 자체 및 고체원료간 공극을 통해서 산소전달이 일어나게 되므로, 고체원료에 수분 함량이 높으면 공극 사이에 물이 채워지게 되고 공기가 존재할 수 없기 때문에 혐기조건이 형성되며 수분 함량이 너무 낮으면 미생물 성장에 지장이 있다.
한편, 고체배양이 진행되는 동안 상당한 양의 열이 발생하는데, 발효초기에는 고체배지층의 온도와 산소농도가 균일하나 발효가 진행되면 산소확산으로 발효반응이 일어나게 되고 열이 발생되나 고체원료의 열전도도가 낮기 때문에 열을 쉽게 제거하지 못하게 되는데 이때 고체원료의 공극이 감소되면 열전달이 방해받게 되고 고체배지층에 온도상승이 발생되고, 이러한 온도상승은 미생물 성장 및 생성물 형성에 큰 영향을 미치게 된다.
따라서 발효과정에서 고체원료간에 공극을 최대한 확보하는 것이 고체발효 효율을 개선하는 데에 매우 중요하다.
이러한 고려에 따라 일반적으로 사용되는 고체발효장치는 도 1에 나타내는 바와 같이 종균배양탱크에서 종균을 배양한 후, 발효원료 혼합장치로 상기 종균과 원료보관조 내의 고체발효 원료를 투입하여 혼합하는데, 종균 접종전에 고체원료가 40% 이상의 함수율을 갖도록 가수한 이후에 접종한다.
이후 상기 고체원료와 종균 혼합물인 고체발효원료는 고체발효부로 이송되어 적정한 온도, 수분 유지 및 교반 등을 통해서 발효된 후, 건조장치로 이송되어 수분함량 10% 내외로 건조되고 분쇄되어 포장된다.
한편, 상기 건조장치에서는 통상 열풍 혹은 자연건조를 수행하는데, 열풍건조는 생균 수의 급격한 감소를 불러 일으킬 뿐만 아니라 온도에 민감한 생리활성물질의 함량이 감소하거나 기능을 상실하는 경우가 발생하며, 자연건조는 계절에 따라 건조기간이 달라지며 길게는 일주일이 소요되어 건조기간이 길어지는 문제점이 있었다.
그리고 상기 고체발효부(40)는 통상 발효조의 일측에 투입구가 형성되고 내부에 교반기가 설치되어 고체발효원료를 교반하면서 발효되도록 하고 있으며, 필요한 경우 가열공기를 주입하거나 발효조를 직접 가열하며, 상기 발효조에는 발효 중 발생되는 악취 등을 제거하기 위한 배기구가 형성된다.
그러나 상기한 종래 고체발효부 구성은 고체원료를 이용하여 발효하지만 별도의 수분공급수단이 없어서 투입된 고체원료에 수분이 충분하지 못한 경우 발효시간이 오래걸리는 문제점이 있었고, 교반기를 구성하는 교반날개가 고체원료를 뒤섞기는 하지만 발효에 충분한 공기와 수분 등이 고체원료 사이로 투입되도록 하지 못하여 마찬가지로 발효시간이 길어지는 문제점이 있었다.
특허등록 제10-1884623호 특허등록 제10-1176248호
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 고체발효에 필요한 발효와 건조 등을 하나의 처리조에서 수행할 수 있도록 하면서, 발효에 필요한 조건에 빨리 도달하도록 증숙과정을 발효과정전에 미리 처리조에서 수행하고, 발효과정에서 고체원료들 사이로 공기가 충분히 공급되도록 교반기의 구조를 개선하며, 건조과정에서 제습된 공기를 제공하여, 발효시간을 단축하면서 전체 생산공정을 단축하고, 발효산물의 품질저하가 발생하지 않도록 한 고체발효 장치 및 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 구동모터에 의하여 회전하는 교반기; 상부에 고체원료와 종균이 투입되는 투입구와 처리조 내부의 공기와 악취가 배출되는 배기구가 형성되고, 내부에 교반기가 구비되며, 하부에 외부공기와 증기 및 제습공기가 선택적으로 공급되는 공기공급구가 형성되어 고체원료의 증숙과 고체원료 및 종균에 의한 발효 및 건조가 순차적으로 이루어지는 하나의 처리조; 상기 처리조에 연결되어 발효되고 건조된 건조물을 회수하는 건조물 회수수단; 상기 건조물 회수수단 종단에 구비되어 건조물을 펠릿 등 소정형상으로 성형하는 성형수단;을 포함하여 이루어지면 바람직하다.
본 발명의 구성은, 상기 배기구는 외부와 직접 연결될 수도 있고, 제습장치와 연결되어 배기구로 배출된 공기에서 습기만 제거한 후 다시 처리조로 유입하여 건조단계에서는 제습된 공기가 처리조로 투입되어 건조효율이 향상되도록 하고, 상기 발효과정에서는 제습장치가 제습을 수행하지 않고 배기구로 배출된 공기를 처리조로 단순히 순환시키는 역할을 하여 배기구로 공기와 함께 배출된 종균분말이 다시 처리조로 유입되도록 하면 바람직하다.
본 발명의 구성은, 상기 교반기는 구동모터에 의하여 회전하는 교반축에 다수의 교반날개 및 공기공급관이 구비된 것으로, 상기 교반축은 중심에 공기공급로가 형성되고, 상기 공기공급관은 종단부분으로 다수개의 통공이 형성되고 내부에는 상기 통공과 교반축에 형성된 공기공급로와 연결된 공기유로가 형성되며, 상기 공기유로에는 하중에 의하여 자유낙하하는 차단부재가 구비되어, 상기 교반날개의 위치에 따라 차단부재가 위치이동하여 공기공급로와 공기유로를 차단 혹은 연결하여, 통공이 처리조 하부에 위치될때에만 공기가 배출되고 통공이 처리조 상부에 위치될때는 공기유로가 차단되면서 공기가 차단되도록 하면 바람직하다.
본 발명의 구성은, 상기 공기공급구로는, 고체원료 투입직후 소정온도로 가열된 증기가 투입되어 증숙과정을 수행하도록 하고, 처리조 내부가 발효에 충분한 온도와 습도가 되면 상기 증기 투입은 종료되고 종균이 투입되어 발효되며 이 과정에서 공기가 공급되며, 발효가 완료된 후에는 건조를 위한 공기가 공급되는데, 상기 건조공기는 외기가 그대로 공급되거나 외기를 제습하여 공급하거나 처리조 내부의 공기를 제습하여 순환하는 것을 동시에 혹은 각각 수행하면 바람직하다.
본 발명의 방법의 구성은, 하나의 처리조에 고체원료를 투입한 후, 처리조 내부로 가열된 증기를 투입하여 증숙과정을 수행하는 전처리단계; 상기 전처리단계 수행 후 일정온도와 습도가 되면 처리조내로 종균을 투입한 후 고체원료와 종균 혼합물인 고체발효원료를 교반기로 교반하면서 고체발효원료 사이로 공기를 주입하는 발효단계; 발효가 완료된 후 처리조내로 10-30℃의 제습공기를 주입하여 발효산물을 건조하는 건조단계; 건조단계 수행 후 발효산물을 수집하여 회수하여 분쇄하고 소정형상으로 성형하는 성형단계;를 포함하여 이루어지면 바람직하다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 의하면 고체발효에 필요한 발효와 건조 등을 하나의 처리조에서 수행할 수 있게 되어 원료 등을 회수하고 이송하여 투입하는 등의 단계가 생략되어 생산에 요구되는 장소 및 시간이 대폭 감소되고, 장치의 유지관리가 용이하며, 발효이전에 고체원료를 발효에 필요한 조건에 빨리 도달하도록 증숙단계를 거치므로 발효시간이 단축되고, 고체발효원료 사이에만 공기가 토출되도록 하는 교반기에 의하여 발효과정에서 고체원료들 사이로 공기가 충분히 공급되어 발효시간을 단축하면서 전체 생산공정을 단축하고, 건조과정에서 제습된 공기를 제공하여 생균수 및 생리활성물질의 안전성이 유지되도록 하여 발효산물의 품질저하가 발생하지 않아 생산 경쟁력이 확보되는 효과가 있다.
도 1은 종래 고체발효장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 고체발효장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 고체발효장치의 공기공급관 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 고체발효 방법을 나타내는 도면이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 고체발효장치의 구성도이다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이 본 발명에 따른 고체발효장치는, 구동모터(M)에 의하여 회전하는 교반기(120); 상부에 고체원료와 종균이 투입되는 투입구(112)와 처리조 내부의 공기와 악취가 배출되는 배기구(114)가 형성되고, 내부에 교반기(120)가 구비되며, 하부에 외부공기와 증기 및 제습공기가 선택적으로 공급되는 공기공급구(116)가 형성되어 고체원료의 증숙과 고체원료 및 종균에 의한 발효 및 건조가 순차적으로 이루어지는 하나의 처리조(110); 상기 처리조(110)에 연결되어 발효되고 건조된 건조물을 회수하는 건조물 회수수단(130); 상기 건조물 회수수단(130) 종단에 구비되어 건조물을 펠릿 등 소정형상으로 성형하는 성형수단(140);을 포함하여 이루어진다.
상기 투입구(112)는 고체원료 보관탱크(132)와 분말종균보관탱크(134)와 연결되고, 상기 보관탱크(132)와 분말종균보관탱크(134) 및 투입구(112)에는 개폐밸브(미도시) 등이 구비되고 제어부(미도시)에 의하여 그 동작이 제어되어 고체원료와 분말종균이 기 설정된 시기에 기 설정된 양만큼 투입되도록 한다.
상기 배기구(114)는 외부와 직접 연결될 수도 있고, 제습장치(210)와 연결되어 배기구(114)로 배출된 공기에서 습기만 제거한 후 다시 처리조(110)로 유입하여 건조단계에서는 제습된 공기가 처리조로 투입되어 건조효율이 향상되도록 하고, 상기 발효과정에서는 제습장치(210)가 제습을 수행하지 않고 배기구(114)로 배출된 공기를 처리조로 단순히 순환시키는 역할을 하여 배기구(114)로 공기와 함께 배출된 종균분말이 다시 처리조로 유입되도록 할 수도 있다.
상기 공기공급구(116)는 외부공기를 처리조내로 공급하는 공기공급장치(220), 제습장치(210) 및 물을 가열하여 공급하는 증기발생장치(230)와 연결되어, 발효를 수행하는 과정에서 공기공급구(116)로 외기 혹은 증기 혹은 건조공기가 주입되도록 하고 상기 공기공급장치, 제습장치, 증기발생장치와 공기공급구의 연결은 도시하지는 않았지만 제어부에 의하여 각 장치에 구비된 밸브의 개폐를 제어함으로써 이루어진다.
한편, 상기 제어부의 동작제어를 이하여 처리조내에는 온도센서 습도센서, 유량계 등의 공지의 측정수단이 구비된다.
그리고 도 2에서 미설명부호 118은 처리조(110)내로 고체원료와 분말종균을 투입할대는 열리고, 내부 증숙, 발효, 건조시에는 차단되는 개폐판을 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 고체발효장치의 공기공급관 구조를 나타내는 도면이다.
도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 교반기(120)는 구동모터(M)에 의하여 회전하는 교반축(121)에 교반날개(123) 및 공기공급관(A)이 구비된다.
상기 교반축(121)은 중심에 제습장치(210), 공기공급장치(220) 및 증기발생장치(230)와 연결된 공기공급로(122)가 형성된다.
그리고 상기 교반날개(123)는 판형으로 형성되어 고체원료 등을 혼합하여 준다.
상기 공기공급관(A)에는 종단부분으로 다수개의 통공(124)이 형성되고 내부에는 상기 통공(124)과 교반축(121)에 형성된 공기공급로(122)와 연결된 공기유로(125)가 형성되며, 상기 공기유로(125)에는 하중에 의하여 자유낙하하는 차단부재(126)가 구비된다.
이에 따라 상기 교반날개(123)의 위치에 따라 차단부재(126)가 위치이동하여 통공(124)으로 공기가 공급 또는 배출되도록 하되, 통공(124)이 처리조 하부에 위치될때에만 공기가 배출되고 통공(124)이 처리조 상부에 위치될때는 공기유로(125)가 차단되면서 공기가 차단되어, 공기 등이 고체발효원료가 분포한 처리조 하부에서 집중적으로 배출되도록 하여 발효 효율을 향상한다.
상기에서 차단부재(126)는 볼 또는 원기둥 등 공기공급로(122)와 공기유로(125)의 연결부위를 개방 혹은 차단할 수 있는 것이면 어떠한 것이든 가능하고, 본 발명의 실시예에서는 마찰저항 등을 감소하기 위하여 볼을 사용한다.
그리고 상기 공기공급관(A)의 내부에는 차단부재(126)인 볼의 낙하시 소음과 충격을 감소하기 위하여 완충부재(127)(128)가 양 종단에 구비되는데, 교반축(121)방향 완충부재(127)는 중심이 관통되어 공기공급로(122)와 공기유로(125)를 연결하도록 하고, 공기공급관(A)의 종단에 구비된 완충부재(128)는 캡(129)에 일체로 부착되어 캡(129)을 제거하고 공기공급관(A) 내부를 청소할 수 있도록 한다.
도 4는 본 발명의 고체발효 방법을 나타내는 도면이다.
도 4에 도시되어 있는 바와 같이 본 발명의 고체발효 방법은, 하나의 처리조(110)에 고체원료를 투입하면서 상기 고체원료를 혼합한 후, 처리조(100) 내부로 가열된 증기를 투입하여 증숙과정을 수행하는 전처리단계; 상기 전처리단계 수행 후 일정온도와 습도가 되면 처리조(110)내로 종균을 투입한 후 고체원료와 종균 혼합물인 고체발효원료를 교반기(120)로 혼합하면서 발효하는 발효단계; 발효가 완료된 후 처리조내로 10-30℃의 제습공기를 주입하여 발효물을 건조하는 건조단계; 건조단계 수행 후 건조물을 수집하여 회수하고 분쇄하여 소정형상으로 성형하는 성형단계;를 포함하여 이루어진다.
따라서, 본 발명에 의하면, 고체원료를 처리조에 투입한 후 증숙(또는 증자)를 실시하고 종균을 접종 및 발효를 진행하며, 발효 완료 후 건조까지 일원화된 공정단계를 수행할 수 있어, 종래의 고체발효기술에서는 사용하기 곤란한 정도의 수분 함유량을 가져갈 수 있고, 이에 따라 종균의 생장, 증식에 충분한 수분활성도를 유지함으로써 종래의 고체발효기술에서 달성할 수 없었던 발효시간의 단축, 즉 종래의 기술에서는 최소발효시간이 2일에서 3일정도의 발효시간이 필요한점을 획기적으로 개선하여 24시간이내에 목적한 발효를 달성할 수 있는 발효시간의 단축을 달성할 수 있으며, 발효 효율 측면에서도 본 발명은 발효에 최적의 온도와 습도에 빠르게 도달되고 고체발효원료사이로 공기등이 추분히 공급되어 발효효율이 개선되는 효과가 있다.
또한 본 발명에 의해 제공되는 고체발효장치는 건조과정에서 고체발효물 사이에 형성된 공극을 통하여 제습된 10-30℃의 공기가 유동할 수 있도록 하여 미생물 생균체 및 생리활성 대사산물 예를 들면 생산효소, 미생물 대사에 의해 생성되는 분해 산물 및 각종 대사산물이 건조열에의한 파괴 또는 비활성화되는 문제를 최소화할 수 있으며 건조공정 및 건조시간을 단축할 수 있게 된다.
아울러 본 발명은 고체발효기에서 건조를 완료한 후 건조물의 회수 및 최종제품 성형이 한번에 이루어지므로, 종래 발효물을 발효장치 외부로 반출하여 별도의 건조공정을 수행하고 이를 다시 분쇄기를 사용하는 분쇄공정을 거치는 복잡하고, 외부 오염물질에 의한 오염 그리고 이를 수행하기 위한 시간과 비용이 많이 요구되는 것을 극복할 수 있게 된다.
또한 본 발명에 따른 고체발효기술은 미생물의 접종 시 발효의 목적에 따라 종래의 기술에서 사용한 사전 액상배양을 통한 종균의 배양, 접종, 고체배양의 공정도 그대로 사용할 수 있으며, 종래의 고체발효기술에서는 사용하기가 매우 곤란하거나 불가능했던 분말형태의 미생물을 직접 접종하여 배양하는 것이 가능하여 종래의 고체 발효기술이 가지고 있던 미생물 접종 조건의 제한을 극복할 수 있게 된다.
110 : 처리조 120 : 교반기
121 : 교반축 123 : 교반날개
A : 공기공급관

Claims (5)

  1. 구동모터(M)에 의하여 회전하는 교반기(120);
    상부에 고체원료와 종균이 투입되는 투입구(112)와 처리조 내부의 공기와 악취가 배출되는 배기구(114)가 형성되고, 내부에 교반기(120)가 구비되며, 하부에 외부공기와 증기 및 제습공기가 선택적으로 공급되는 공기공급구(116)가 형성되어 고체원료의 증숙과 고체원료 및 종균에 의한 발효 및 건조가 순차적으로 이루어지는 하나의 처리조(110);
    상기 처리조(110)에 연결되어 발효되고 건조된 건조물을 회수하는 건조물 회수수단(130);
    상기 건조물 회수수단(130) 종단에 구비되어 건조물을 펠릿 등 소정형상으로 성형하는 성형수단(140);을 포함하며,
    상기 배기구(114)는 외부와 직접 연결될 수도 있고, 제습장치(210)와 연결되어 배기구(114)로 배출된 공기에서 습기만 제거한 후 다시 처리조(110)로 유입하여 건조단계에서는 제습된 공기가 처리조로 투입되어 건조효율이 향상되도록 하고, 상기 발효과정에서는 제습장치(210)가 제습을 수행하지 않고 배기구(114)로 배출된 공기를 처리조로 단순히 순환시키는 역할을 하여 배기구(114)로 공기와 함께 배출된 종균분말이 다시 처리조(110)로 유입되도록 하며,
    상기 교반기(120)는 구동모터(미도시)에 의하여 회전하는 교반축(121)에 다수의 교반날개(123) 및 공기공급관(A)이 구비된 것으로,
    상기 교반축(121)은 중심에 공기공급로(122)가 형성되고,
    상기 공기공급관(A)은, 종단부분으로 다수개의 통공(124)이 형성되고, 내부에는 상기 통공(124)과 교반축(121)에 형성된 공기공급로(122)와 연결된 공기유로(125)가 형성되며, 상기 공기유로(125)에는 하중에 의하여 자유낙하하는 차단부재(126)가 구비되고, 상기 차단부재(126)의 낙하시 소음과 충격을 감소하기 위하여 완충부재(127)(128)가 양 종단에 구비되고, 공기공급관(A) 내부를 청소할 수 있도록 하기 위한 캡(129)이 완충부재(128)와 연결되어 설치되어 있으며,
    상기 교반날개(123)의 위치에 따라 차단부재(126)가 위치이동하여 공기공급로(122)와 공기유로(125)를 차단 혹은 연결하여, 통공(124)이 처리조 하부에 위치될때에만 공기가 배출되고 통공(124)이 처리조 상부에 위치될때는 공기유로(125)가 차단되면서 공기가 차단되도록 하며,
    상기 공기공급구(116)로는, 고체원료 투입직후 소정온도로 가열된 증기가 투입되어 증숙과정을 수행하도록 하고,
    처리조(110) 내부가 발효에 충분한 온도와 습도가 되면 상기 증기 투입은 종료되고 종균이 투입되어 발효되며 이 과정에서 공기가 공급되며,
    발효가 완료된 후에는 건조를 위한 공기가 공급되는데, 상기 건조공기는 10-30℃의 외기가 그대로 공급되거나 외기를 제습하여 공급하는 것을 특징으로 하는 고체발효장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항의 고체발효장치를 사용하며,
    하나의 처리조(110)에 고체원료를 투입한 후, 처리조 내부로 가열된 증기를 투입하여 증숙과정을 수행하는 전처리단계;
    상기 전처리단계 수행 후 일정온도와 습도가 되면 처리조내로 종균을 투입한 후 고체원료와 종균 혼합물인 고체발효원료를 교반기로 교반하면서 고체발효원료 사이로 공기를 주입하는 발효단계;
    발효가 완료된 후 처리조내로 10-30℃의 외기를 주입하여 발효산물을 건조하는 건조단계;
    건조단계 수행 후 발효산물을 수집하여 회수하여 분쇄하고 소정형상으로 성형하는 성형단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체 발효 방법.
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