KR20060123306A - 전분 또는 전분 유도체를 변형시키는 방법 - Google Patents

전분 또는 전분 유도체를 변형시키는 방법 Download PDF

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Abstract

전분 기질(substrate), 기체 및, 선택적으로 하나 이상의 반응물을 연속적인 흐름(flow)으로 반응기에 도입하는 단계로 구성되고, 여기서 상기 전분 기질은 0 내지 45중량%의 수분 함유량, 1 내지 60분의 반응기 내 체류시간을 가지고, 5 내지 220℃로 가열되며, 상기 전분 기질 및 기체는 반대 방향으로 반응기에 도입되고 상기 반응기는 하나 또는 다수의 블레이드(blades)가 증착된 회전 축(rotating shaft)을 포함하는 관 모양의(tubular) 바디를 가지는 것을 특징으로 하는 전분 또는 전분 유도체를 변형시키는 방법.
전분, 전분 유도체, 블레이드, 연속공정, 체류 시간

Description

전분 또는 전분 유도체를 변형시키는 방법 {Method for modifying starch or starch derivatives}
본 발명은 연속적인 공정에서 전분 또는 전분 유도체를 변형시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 방법에서 반응기의 사용 방법에 관한 것이다.
전분은 더 높은 식물의 주요 탄수화물 성분이고 여러 산업 분야에서 적용된다. 예를 들어, 식품 산업에서 전분은 다른 것들 중에서 직조제(texturing agent), 젤링제(gelling agent), 농축제(thickener) 및 안정제(stabilizer)로서 사용된다. 종이 제조에서, 전분은 인쇄적성(printability), 표면 세기(surface strength) 및 용매-저항을 증진시키기 위해 풀칠제(sizing agent)로서 사용된다. 또한 전분은 발효 및 방직(textile) 산업에서 사용되고 접착제(adhesives), 세제(detergent), 화장품(cosmetics), 제약(pharmaceuticals), 유화제(emulsifying) 및 분산제, 잉크 및 염료, 플라스틱, 코팅제 및 여러 다른 일반적으로 사용되는 제품의 제조에서 사용된다.
하지만, 이러한 역할들을 실행하기 위해 어떠한 특정 성질(유동학적 특성, 전단 세기, 안정성, 다른 온도에서의 점도, 젤라틴화, 용해도, 등)이 요구될 수 있다. 때로는, 이것들은 천연 전분과 연관된 특성이 아니다. 따라서 전분 변형의 여 러 가지 방법이 개발되어 왔다.
상기 방법들은 열수 처리(hydrothermal treatment), 가수분해, 분해(덱스트린화, 산-농축(acid-thinning), 산화), 에스테르화, 에테르화, 안정화(예를 들어, 교차-결합), 등을 포함한다.
전통적으로, 산업적인 스케일로 전분 변형의 가장 성공적인 방법은 수용성 용액에서 배치 공정을 기본으로 해왔다. 하지만, 상기 방법들은 몇가지 본질적인 단점을 가진다. 이것들은 거대한 양의 수용성 폐기물(effluent)의 생성, 생산 및 처리 비용에 대한 상당한 부담을 야기하는 것의 처분, 및 이러한 방법들은 비연속적으로(배치식으로) 수행되어야해서 그들의 조절 및 전체 비용에 대한 부작용을 갖는다는 사실을 포함한다.
몇 가지 시도는 이러한 단점들을 극복할 전분의 변형을 위한 대안 방법을 개발했다. 예를 들어, EP710670A1은 전분 파우더 및 반응제는 반응기에 동시에 도입되는 것에 따라 연속적인 화학적 변형 공정을 기술한다. 반응기 안에서 회전 스크류는 전분과 반응제가 상호반응하도록 하는 정밀한, 역동적인 액체층을 빠르게 생성한다. 하지만, 이 방법은 몇 가지 단점을 겪는다. 첫째, 전분이 반응기를 통과하는 속도로 인해, 어떠한 반응이 일어나는데 거의 시간이 걸리지 않는다(즉, 전분과 반응물 사이의 불충분한 접촉 시간이 유지된다). 또한, 회전 스크류에 의해 생성된 원심분리력은 반응기 벽에 축적되는 경향이 있다. 회전 속도는 수용가능한 접촉 시간을 허용하고 작동력(runability)의 문제를 해결하고, 상기 전분 및 반응물은 적당히 혼합됨에 의해 반응 수준 및 최종 생산 질에 다시 부정적인 효과를 갖지않도 록 충분히 감소시켜야 한다.
또 다른 실시예는 표준화된 플러그 흐름 조건 하에서, 거의 77℃에 거의 동일한 온도에서, 최고 6시간의 반응 시간으로 수행된 전분의 화학적 유동화(fluidificationn) 공정을 기술한 WO 97/13788이다. 이 방법 또한 몇가지 단점을 가진다. 무엇보다도, 플러그 흐름 반응기의 특성에 의해 매우 약간의 물질 혼합이 일어난다. 전술한 바와 같이, 이것은 반응 정도에 부정적인 영향을 가질 것이다. 또한, 77℃를 넘지 않는 온도로, 반응기를 통해 전분 입자들의 정적인(static) 이동때문에, 체류 시간이 증가 될지라도 그것들은 적절히 건조되지 않을 것이다. 결정적으로, 플러그 흐름 반응기가 배치 공정 조건을 모방하는데 영향을 미치기 때문에, 후자와 관련된 단점들은 극복되지 않을 것이다.
다른 실시예는 US 4,021,927이다. 이 문서는 입자들이 다수의 가열된, 관 모양의 반응기에 들어가기 전에 동요된 영역을 통과하는 유동화(fluidising) 반응기를 기술한다. 안타깝게도, 이 반응기는 기질이 고르지않게(unevenly) 반응할 수 있다는 것을 의미하는 반응을 통해 유지되는 유동화를 허용하지 않는다. 특히, 동요된 반응기 영역이 분리된 이후로, 유동화는 가열단계 동안 유지되지 않을 것이다. 그 결과로, 모든 기질 입자들은 관 모양의 반응기의 가열된 벽에 접촉하지는 않을 것이고, 더 무거운 입자들은 그들의 더 가벼운 부분(counterpart)보다 더 빠르게 가열된 영역을 통해 통과할 것이고(상기 반응기는 기질을 입구에서 출구로 운반하는데 중력에 의존함), 입자들은 반응기의 벽에 달라붙음으로써 진행능력(runnability)에 영향을 끼칠 수 있다. 전반적으로, 이것은 비효과적인, 비-균질 화 반응을 일으킨다.
따라서, 당업계에서 전분을 변형시키기 위한, 증진되고 더욱 경제적인 방법에 대한 필요성이 여전히 계속되고 있다. 본 발명은 그러한 방법을 제공한다.
발명의 요약
본 발명의 제1면에서, 전분 기질, 기체 및, 선택적으로 하나 이상의 반응물의 연속적인 흐름을 반응기에 도입하는 단계를 포함하는 전분 또는 전분 유도체를 변형하는 방법이 제공되는데, 여기서 상기 전분 기질은:
- 0 내지 45중량%, 바람직하게는 1 내지 30중량%의 수분 함유율을 가지고;
- 1 내지 60분, 바람직하게는 2 내지 45분의 반응기 내 체류시간을 가지고; 및
- 50 내지 220℃, 바람직하게는 80 내지 220℃로 가열되고,
- 상기 전분 기질 및 기체는 반대 방향으로 도입되는 것; 및
- 상기 반응기가 하나 또는 다수의 블레이드가 증착된 회전 축을 포함하는 관 모양의 바디를 가지는 것을 특징으로 한다.
하나의 구체예에 따르면, 상기 블레이드 또는 블레이드들은 2 내지 30m/s의 첨단(tip) 속도를 가질 것이다.
상기 전분 기질은 하나 이상의 천연 전분, 전분 유도체, 가루 등의 전분성 물질 및 둘 이상의 이들의 혼합물로부터 선택될 수 있다. 바람직하게는, 상기 기질은 파우더 형태로 반응기에 도입된다.
예를 들어, 상기 반응물은 가수분해제(hydrolysing agent), 산화 제(oxidation agent), 산, 덱스트린화제(dextrinisation agent), 알킬화제(alkylation agent), 에스테르화제(esterification agent), 에테르화제(etherification agent), 교차-결합제(cross-bonding agent) 및 둘 이상의 이들의 혼합물로부터 선택된 화학적 또는 효소적 반응물이 될 수 있다. 바람직하게는, 상기 반응물은 HCl, H2SO4 또는 H2PO4 등의 미네랄 산, 시트르산(citric acid) 등의 유기산, 과산화수소(hydrogen peroxide) 등의 과산화물(구리와 같은 촉매를 가지거나 안가짐), 과황산염(persulfate) 등의 산화제 및 둘 이상의 이들의 혼합물로부터 선택될 것이다.
바람직한 구체예에 따르면, 상기 반응물은 반응기에 도입되기 전에 전분 기질에 부가된다.
본 발명의 두 번째 구체예에서, 전분 기질, 기체 및, 미네랄 산, 과산화물 및 산화제로부터 선택된 하나 이상의 반응물을 반응기에 도입하는 단계를 포함하며, 여기서 상기 전분 기질은 1 내지 30중량%의 수분 함유량, 2 내지 45분의 반응기 내 체류시간을 가지고, 80 내지 220℃로 가열되며, 상기 전분 기질 및 기체는 반대 방향으로 반응기에 도입되고 상기 반응기는 하나 또는 다수의 블레이드가 증착된 회전 축을 포함하는 관 모양의 바디를 가지는 것을 특징으로 하는 고(highly) 용해성 전분을 제조하는 방법이 제공된다.
바람직하게는, 이 방법에 따라 생성된 전분은 냉수에서 70 내지 100%, 바람직하게는 75 내지 100% 용해될 것이다.
본 발명의 세 번째 구체예에서, 전분 또는 전분 유도체의 변형에 반응기를 사용하는 방법을 제공하는데, 상기 반응기는:
- 하나 또는 다수의 블레이드가 증착된 회전축; 및
- 적어도 두 개의 입구, 전분 기질 및, 선택적으로 하나 이상의 반응물의 도입을 위한 하나, 및 기체의 도입을 위한 하나;
로 구성되는 관 모양의 바디를 가지고, 여기서 상기 입구들은 전분과 기체가 반대 방향으로 반응기에 도입되도록 위치된 입구인 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 가능한 구체예에 따른 반응기 장치(unit)의 개략적인 대표도이다.
본 발명은 전분 또는 전분 유도체를 변형시키는 방법을 제공한다. 용어 "전분 유도체"는 천연 전분에 대한 변형 또는 변형 시리즈-물리적, 화학적 및/또는 유전적-에 의해 생성된 모든 분자를 말한다. 따라서, 전분 유도체는: 효소 또는 산 가수분해된 전분(말토덱스트린, 글루코스 시럽 및 가수 생성물); 분해된 전분(예를 들어, 로스트 덱스트린 및 약한-끓임 전분 등의 열, 산화, 촉매제 또는 산화제에 의해 분해된 전분); 선-젤라틴화된 전분; 전분 에스터(n-옥테닐 석신산염); 전분 에테르; 교차-결합된 전분; 퇴보된(retrograded) 전분; 표백한 전분; 양이온화(cationsied)또는 음이온화(anionised) 전분; 양성화(amophoteric) 전분; 전분 인산염; 수소알킬화된 전분 및 알칼리 처리된 전분들을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 단일성을 위해서, 여기서 전분에 대한 모든 언급은 천연 전분 및 전분 유도체 둘 다를 포함하는 것으로 이해될 것이다.
이에 비해, 용어 "전분 기질"은 본 발명의 제1단계에서 반응기 안으로 도입되는 실질적인 생성물을 가리킨다. 상기 기질은 하나 이상의 천연 전분, 하나 이상의 전분 유도체 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 그것은 전분 및/또는 전분 유도체(들)로 이루어질 것이다. 전분은 어떠한 소정의 출처(감자, 밀, 옥수수, 쌀, 토피오카, 완두콩, 보리, 등)가 될 수 있고, 색이 창백하거나 그렇지 않을 수 있다. 또한 상기 기질은 관 모양의 반응기에서 사용되기에 적합한 다른 전분성 물질을 포함할(이루어질) 수 있다. 상기 물질의 예는 가루(예를 들어, 감가 가루, 콩 가루 또는 밀 가루 등의 곡물 가루)이다.
상기 기질은 하나 이상의 천연 합성 폴리머(셀룰로즈 또는 소수성콜로이드) 및/또는 하나 이상의 유기 또는 무기 화합물을 혼합하여 사용될 수 있다. 그것은 또한 완충제(NaOH 등)와 혼합될 수 있다.
상기 기질은 파우더 또는 케이크 형태가 될 수 있고, 반응기에 도입되는 시점에서 0 내지 45중량%, 바람직하게는 1 내지 30중량%, 더욱 바람직하게는 3 내지 25중량%의 수분 함유량을 가질 것이다. 상기 기질이 45%보다 더 높은 수준 정도를 가지면, 반응기에 도입되기 전에 적어도 부분적으로 건조되어야 한다. 필요하다면 수분 정도는 반응기 내에서 조절될 수 있다(예를 들어: 기체로 물 또는 스팀을 부가함으로써, 반응 온도를 조절함으로써 및/또는 예를 들어 추출 팬을 사용하여 수분을 추출함으로써). 바람직하게는, 0 내지 15중량%의 수분 정도는 반응기 출구에서 얻어질 수 있을 것이다.
정의된 바와 같이, 반응기는 관 모양의, 바람직하게는 원통 모양의 바디를 가지며, 안에 회전 축이 증착된 반응기이다. 상기 축은 하나 또는 다수의 블레이드가 구비된다. "하나 또는 다수의 블레이드"에 의해, 반응기를 어떠한 특정한 구조로 한정하고자 함이 아니다. 실제로, 블레이드 또는 블레이드(들)은 스크류 쓰레드(screw thread)의 방법으로 축 주변에 증착된 다수의 분리된 패들 또는 단일, 나선형 블레이드 형태일 수 있다. 바람직하게는 블레이드 또는 블리에드(들)은 2 내지 30m/s, 더욱 바람직하게는 3 내지 25m/s, 조금 더욱 바람직하게는 4 내지 20m/s의 첨단 속도를 가질 것이다. 실행에서, 블레이드의 회전 속도 및 각은 반응기에서의 기판의 바람직한 체류 시간에 따라 조정될 것이다.
체류 시간은 1 내지 60분, 바람직하게는 2 내지 45분, 더욱 바람직하게는 10 내지 30분이 될 것이다. 물론, 정확한 체류 시간은 다양한 변수 요인(예를 들어, 기질의 특성, 반응의 온도, 반응물의 양과 특성, 회적 속도 등) 및 형태 및 변형이 수행된 정도를 고려하여 각 반응에 대해 측정될 것이다. 따라서, 예를 들어 소정의 반응들의 경우 바람직한 체류 시간이 4분인 한편, 다른 것들의 경우 30분이 될 것이다.
사용할 때, 블레이드 또는 블레이드(들)는 연속적인 플러그-흐름 타입 방법으로 반응기의 말단에 있는 입구부터 다른 말단에 있는 출구까지 전분 기질을 운반할 것이다. 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 여기에 사용된 용어 "연속적인"은 배취-타입의 공정과 본 방법을 구별하기 위함이다.
전분이 반응기의 말단에 있는 입구로부터 다른 쪽에 있는 출구까지 운반될 때, 상기 전분은 50 내지 220℃의 온도까지 가열될 것이다. 실행에 있어서, 이 온도는 반응기 출구에서 생성물 온도로서 측정된다. 바람직하게는, 80 내지 220℃, 더욱 바람직하게는 100 내지 180℃, 더 더욱 바람직하게는 100 내지 160℃가 될 것이다.
수분, pH 및 압력 등의 다른 반응 변수들도 또한 조절될 수 있다. 이러한 변수들을 조절하는 적절한 방법들은 당업자들에게 알려져 있을 것이다. 하지만, 실시예에 의하면, 수분은 반응기에 도입된 액체 및/또는 반응기로부터 추출된 액체의 양을 조절함으로써 조절될 수 있다. 수분 추출은 단순한 수분 출구를 통해, 또는 예를 들어 수분 추출기 팬을 사용함으로써 성취될 수 있다. pH는 완충제의 사용으로 조절될 수 있다. 완충제는 어떠한 하나 이상의 전분 기질, 반응물 또는 기체와 함께 반응기에 도입될 수 있다. 그것들은 또한 분리해서 도입될 수 있다. 하나의 구체예에 따르면, 완충제는 상기 반응이 염기성 조건하에서 수행된다는 것을 확신하는데 사용될 것이다. 예를 들어, 압력은 소정의 압력이 유지될 때까지 기체(즉, 공기, 스팀 등)가 방출되지 않도록 하는 반응기 출구(생성물 출구 및 기체 및/또는 수분 출구)에 있는 공기-잠금(air-locks)을 사용함으로써 조절될 수 있다.
전술한 바와 같이, 반응기는 전분 기질을 위한 입구를 포함한다. 그것은 또한 상기 전분 기질 및 기체가 반대 방향으로 반응기로 도입되도록 위치된 기체 입구를 포함한다. 물론, 상기 기질 및 기체 입구는 반드시 위치적으로 반응기의 반대 면에 있어야 하는 것은 아니고, 사용할 때 상기 기질 흐름 및 기체 흐름이 반대-방향(counter-current)으로 되도록 서로 충분히 분리되고 각진 채 제공된다.
기체 입구는 예를 들어 기체를 반응기 내로 펌핑하거나 안으로 빨아드리도록 하는 어떠한 형태가 될 수 있다. 실제로, 하나의 구체예에 따르면, 상기 반응은 진공 하에서 수행될 수 있다. 이 구체예에 따르면, 상기 반응기는 실질적으로 기체 입구와 반대로 위치된 기체 및/또는 수분 출구를 포함하고, 바람직하게는 추출기 팬 등의 기체 및/또는 수분 추출을 증가시키기 위한 하나 이상의 방법을 포함할 것이다. 또한 이 구체예에 따르면, 상기 기체 입구는 예를 들어, 균열 또는 한-방향 밸브는 아닐 것이다. 따라서, 기체가 반응기의 하나의 말단에서 추출됨에 따라, 상기 반응기를 통한 기체 및 전분 기질의 반대-방향 흐름을 생성함에 의해 다른 말단에서 흡수될 것이다.
반대-방향 흐름(counter-current flow)은 어떠한 최후의 반응물과 전분 기질의 좋은 혼합 및 체류 시간의 좋은 조절을 이끈다(기질은 반응기를 통해 매우 빠르게 통과하는 것을 방지하기 때문에). 또한, 결과적인 난류(turbulence) 때문에, 각각의 기질 입자는 가열된 반응기와 더욱 자주 접촉하게 되고 더욱 균일한 반응을 이끈다. 더 많아질수록, 입자 온도는 더욱 빠르게 증가될 것이고 따라서 반응 속도를 증가시키고 반응 시간을 줄여준다. 반대-방향 흐름은 또한 기질 입자들을 유동화된 상태에서 유지하는(기질 입자들인 반응기 벽에 정착하거나 달라붙는 것을 막는) 동안 반응기를 통해 반응물을 운반하는 효과적인 방법을 제공한다. 이것은 반응 효율을 증가시키고, 결과적으로 비용을 감소시킨다. 또한, 그것은 배치 반응기의 사용 및 종래 기술의 연속적인 반응기와 관련된 통상적인 단점을 피한다(예를 들어, 작업능력).
반대-방향을 생성하는데 사용된 기체는 어떠한 기체가 될 수 있으나 바람직하게는 공기, 스팀, 질소, 이산화탄소, 비활성 기체, 조절된 산소 또는 둘 이상의 이들의 혼합물이 바람직할 것이다. 그것은 산화제(예를 들어, 오존), 아민, 중화제 또는 반응 조건을 변형시키거나 조절할 수 있는 첨가제 등의 반응물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 그것은 NH3 또는 SO2 등의 완충제를 포함할 수 있다. 또한 기체는 반응기로의 투입 전에 가열될 수 있다. 바람직하게는, 상기 기체는 0.2 내지 10m/s, 더욱 바람직하게는 0.2 내지 2m/s, 더 더욱 바람직하게는 0.2 내지 1m/s의 반응기를 통한 흐름 속도를 가질 것이다.
상기 반응기는 도입을 위해 하나 이상의 부가적인 입구, 원한다면, 또는 하나 이상의 반응물(효소, 촉매 등)을 포함할 것이다. 반응물의 사용은 변형이 단지 물리적인 변형(예를 들어, 가열에 의해)으로 이루어질 수 있을 경우 항상 필요한 것은 아니다. 하지만, 반응물이 사용되면, 그것은 예를 들어, 가수분해제(알파-아밀라제, 베타-아밀라제, 글루코아밀라제 또는 플루라나제), 산화제(차아염소산 나트륨 또는 과황산염), 산-농축제(예를 들어, H2SO4 또는 H3PO4) 또는 덱스트린화제(HCl 등), 알킬화제, 에스테르화제(아세트 무수화물, 비닐 아세테이트 또는 n-옥테닐 석신산염 무수화물 등), 에테르화제(프로필렌 산화물), 교차-결합제(옥시염화인, 삼인산화 나트륨 또는 아세트산 및 아디프산의 혼합 무수물 등) 또는 우레아, 프로테인 같은 다른 반응성 화합물 또는 폴리인산염 등의 인산염 화합물로부터 선택될 수 있다. 이것은 물론 한정적인 리스트는 아니고, 반응물의 선택은 유지될 변형의 형태에 의존할 것이다. 당업자들은 수행될 반응 형태의 관점에서 어떠한 반응물 또는 반응물들이 사용되어야 하는지 선택할 수 있을 것이다.
예를 들어, 전분의 용해도를 증가시키기 원하면, 반응물은 미네랄 산(H2SO4 또는 H3PO4 등), 유기산(시트르산 등), 과산화물(과산화수소 등) 및/또는 산화제(차아염소산 나트륨 또는 과황산염 등)가 될 수 있다. 본 발명의 방법을 사용하여 고 용해성 전분이 산업적인 스케일에서 경제적인 방법으로 생성될 수 있다는 것을 알았다. 특히, 본 발명의 방법은 70 내지 100%, 바람직하게는 75 내지 100% 차가운 물 용해성(즉, 50℃ 미만의 온도를 갖는 물에서 용해성)인 전분 또는 전분 유도체를 생성하는데 사용될 수 있다.
사용할 경우, 반응물은 용액, 파우더 또는 기체 형태로 그리고 0.001 내지 20중량%(전분의 전체 건조 중량에 대해)의 양으로 부가될 수 있다. 바람직하게는, 그것들은 0.001 내지 10중량% 양으로, 좀 더 바람직하게는 0.01 내지 3중량%의 양으로 부가될 것이다. 또한, 당업자들은 예를 들어, 변형될 기질의 양, 원하는 변형 정도, 사용될 반응물의 성질 및 농도 등에 의존하여 필요한 반응물의 적당한 농도를 결정할 수 있을 것이다.
전술한 바와 같이, 어떠한 사용가능한 반응물 또는 반응물들은 전분 기질에 사용된 하나 이상의 분리된 입구를 통해 반응기로 도입될 수 있다. 예를 들어, 반응물이 기체 형태이면, 그것은 기체 입구를 통해 도입되는 것이 바람직할 것이다. 대안으로, 상기 반응물 및 전분은 동일한 입구를 통해 도입될 수도 있었다. 따라서, 상기 반응물 및 전분은 반응기 내에서 혼합될 수 있거나, 바람직한 구체예에서 그들은 반응기에 도입되기 전에 혼합될 수 있다. 그에 따라서, 본 발명의 방법은 반응물과 전분 기질을 혼합함으로써 프리믹스(premix)를 형성하는 단계를 포함하는 초기단계로 이루어질 수 있다. 상기 프리믹스는 그 다음 단일한 입구를 통해 반응기 내로 도입될 수 있다(전분 기질처럼).
반응물이 반응기에 도입되기 전에 전분 기질에 부가되는 경우, 혼합 단계는 반응기와 연결된 혼합 용기(chamber)에서 수행될 수 있다. 따라서, 지금껏 기술된 반응기는 상류(upstream) 및 하류(downstream) 구성요소 둘 다를 포함하는 더 큰 장치("반응기 장치")의 부분이 될 수 있다. 상류 구성요소는 예를 들어, 이미 언급된 혼합 용기 또는 선-변형 용기(예를 들어, 전분 기질이 반응기에 도입되기 전에 쿠킹 또는 소수성열처리에 의한 초기 변형을 겪을 필요가 있는 경우)를 포함할 수 있는 반면에, 하류 구성요소는 예를 들어, 격리된(insulated) 홀딩 탱크(생성 온도가 효과적으로 연장된 반응 시간에 의해 유지되는 곳), 재순환 부품(element) 또는 하나 이상의 여분의 반응기를 포함할 수 있다. 하나의 구체예에 따르면, 통합체(whole)로서 장치는 본 발명에 따른 하나 이상의 반응기를 포함할 수 있다(예를 들어, 몇 가지 다른 변형이 필요한 경우 또는 더 긴 체류 시간이 요구되는 경우). 따라서, 하나의 반응기로부터 생긴(issuing) 생성물은 하나 이상의 여분의 반응기로 (직접 또는 간접적으로) 이동될 수 있다. 본 발명에 따른 하나 이상의 반응기가 있을 때, 그것들은 연속하여(in series) 처리되는 것이 바람직할 것이다.
본 발명에 따른 가능한 반응 장치는 (1)반대-방향 반응기를 나타내고, (2) 마무리 반응기를 나타내고, (3)축-회전 모터를 나타내고, (4)먼지 분리기를 나타내고, (5)응축기(condensator)를 나타내고, (6)열 교환기를 나타내는 도 1에서 설명된다. 전분 기질은 입구(a)를 통해 반응기로 도입된다. 기체((f)에 부가된 반응물 및/또는 물이 있거나 없는)가 입구(c)를 통해 도입되고 출구(d)를 통해 방출된다. 그후에 그것은 배출구(k)를 통해 반응기를 떠나거나 입구(j)를 통해 열 교환기로 재순환된다. 변형된 전분 생성물은 출구(b)를 통해 반응기를 떠난다. 선택적인 부가 공정 후, 생성물은 출구(e)를 통해 반응기(2)를 떠난다. 응축물(condensate)은 출구(g)를 통해 응축기로부터 방출된다. 대안으로, (4)에 모인 먼지는 입구(h) 및/또는 (i)에서 반응기로 재순환될 수 있다.
본 발명은 또한 전분 및 전분 유도체의 변형(가수분해, 분해, 에스테르화, 에테르화, 열 수분 처리 등)을 위해 기술된 바와 같이 반응기 또는 반응기 장치의 사용 방법을 제공한다.
본 발명은 이제 후술되는, 비-한정적인 실시예에 의해 설명될 것이다.
실시예 1 - 저 점도, 저 용해도 전분을 생성하는 방법
11.5% 수분을 가진 옥수수 전분(Cerestar의 C☆Gel 03402) 150㎏, 11.7N의 HCl(Sigma-Aldrich) 479.9 ml 및 물 15.5L를 실온에서 대략 10분간 Lodige 혼합기에서 혼합하였다. 그후에 상기 혼합물을 150㎏/h의 연속적인 흐름으로 9.3m/s의 첨단 속도를 가진(그리고 반응기 벽으로부터 2㎝에 위치된) 다양한 블레이드를 갖는 파일롯-공장 터보-반응기(pilot-plant turbo-reactor)에 도입하였다. 150℃까지 가열된 반대 방향의 공기를 0.5m/s로 동시에 도입하였다. 상기 기질을 플러그-흐름 형태 움직임으로 반응기를 통해 운반하였고, 대략 4 분의 반응기 내 체류 시간을 가졌다. 반응기의 덮개(jacket) 온도는 전분 생성물이 117℃ 온도(반응기 출구에서 측정됨)에 도달하도록 대략 185℃에서 유지되었다. 반응기의 출구에서 얻어진 브룩필드(Brookfield) 점도 및 용해도는 하기 기술된 방법을 사용하여 측정되었다. 하기의 결과들이 얻어졌다:
브룩필드 점도 (30% ds; 40℃) 용해도
155 mPas 17%
이러한 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 얻어진 전분 생성물은 처리되지 않은 전분보다 확연하게 더 낮은 반죽(paste) 점도(비교적 높은 건조 성분에도 불구하고) 및 낮은 용해도를 가졌다.
건조 성분
건조 성분 %는 5g의 샘플을 진공 하에서 120℃에서 4시간동안 건조함으로써 결정되었다. 건조 성분, % = 100 - [(중량 손실, g x 100)/(샘플중량, g)].
용해성(solubles)
샘플 2000g을 재어 건조된 200ml Kohlrausch 플라스크로 운반했다. 상기 플라스크는 25℃에서 물로 일부로 채우고 샘플이 완전히 현탁액(suspension)이 될 때까지 심하게 저어줬다. 그 다음 상기 현탁액을 부피까지 희석시켰다. 상기 플러스크를 막고 전체 1시간 동안 25℃에서 물 베스(bath)에서 가라앉힌 동안 천천히 흔들었다.
흔들어 준 후, 상기 현탁액은 Whatman no. 2V 페이퍼를 통해 여과했다. 50.0 ml의 여과액(filtrate)을 측정하고 무게를 잰 증발 접시로 옮겼다. 그 다음 상기 여과액은 스팀 베스에서 건조될 때까지 증발되었고 100℃에서 1시간동안 진공 오븐에서 건조되었다. 잔여물(residue)은 데시케이터에서 냉각시키고 가장 근접한 그램으로 무게를 측정했다.
용해도, %는 하기 반응식에 따라 결정되었다: 용해도,% d.b.=(잔여물 중량,g
x100)/[(50ml/200ml) x (샘플중량,g) x (d.s.,%/100)].
브룩필드 점도
30% d.s.에서 샘플 180g을 스테인레스 강철 1L 준비 비이커에서 무게를 쟀다. 샘플의 총 중량이 600g에 도달할 때까지 비이커에 물을 부가했다. 그다음 균일한 슬러리가 얻어질 때까지 플라스틱 막대로 물 및 샘플을 혼합했다. 그후 비이커에 패들을 넣고, 비이커를 덮고 상기 패들을 끓는 물 베스 위에서 교반기에 연결했다. 즉시 250 rpm으로 흔들어주는 것을 시작했다. 정확히 30분 후, 상기 비이커를 끓는 물 베스에서 꺼내고 그 내용물을 재빨리 600 ml 유리 비커로 옮겼다.
상기 유리 비커를 냉각 베스(물이 15 내지 20℃로 유지되는)에 놓았다. 온도가 40℃가 될 때까지 플라스틱 막대와 온도계를 함께 사용하여 슬러리를 저어주었다. 그다음 no.2 굴대(spindle)가 장착된 브룩필드 RVT 시리즈 점도계로 점도(mPas)를 측정하였다. 측정은 40℃, 100rpm으로 하였다.
실시예 2 - 저 점도, 고 용해성 전분을 생성하는 방법
11.5% 수분을 가진 옥수수 전분(Cerestar의 C☆Gel 03402) 150㎏, 11.7N의 HCl(Sigma-Aldrich) 312.4 ml 및 물 15.6L를 실온에서 대략 10분간 Lodige 혼합기에서 혼합하였다. 그후에 상기 혼합물을 150㎏/h의 연속적인 흐름으로 5.0m/s의 첨단 속도를 가진(그리고 반응기 벽으로부터 2㎝에 위치된) 다양한 블레이드를 갖는 파일롯-공장 터보-반응기에 도입하였다. 150℃까지 가열된 반대 방향의 공기를 0.5m/s로 동시에 도입하였다. 상기 기질을 플러그-흐름 형태 움직임으로 반응기를 통해 운반하였고, 대략 30분의 반응기 내 체류 시간을 가졌다. 반응기의 덮개 온도는 전분 생성물이 125℃ 온도(반응기 출구에서 측정됨)에 도달하도록 대략 185℃에서 유지되었다. 반응기의 출구에서 얻어진 브룩필드 점도 및 용해도는 전술한 동일한 방법(점도 측정을 위해 45% d.s.의 샘플 270g을 사용한 것을 제외하고)을 사용하여 측정되었다. 하기 기술된 방법을 사용하여 측정되었다. 하기의 결과들이 얻어졌다:
브룩필드 점도 (45% ds; 40℃) 용해도
180 mPas 90%
이러한 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 얻어진 전분 생성물은 처리되지 않은 전분보다 확연하게 더 낮은 반죽(paste) 점도(비교적 높은 건조 성분에도 불구하고)를 가졌다. 또한 상기 생성물은 매우 더 높은 용해도를 가진다.

Claims (19)

  1. 전분 기질(substrate), 기체 및, 선택적으로 하나 이상의 반응물을 연속적인 흐름(flow)으로 반응기에 도입하는 단계를 포함하며, 여기서 상기 전분 기질은 0 내지 45중량%의 수분 함유량, 1 내지 60분의 반응기 내 체류시간을 가지고, 50 내지 220℃로 가열되며, 상기 전분 기질 및 기체는 반대 방향으로 반응기에 도입되고 상기 반응기는 하나 또는 다수의 블레이드(blades)가 증착된 회전 축(rotating shaft)을 포함하는 관 모양의(tubular) 바디를 가지는 것을 특징으로 하는 전분 또는 전분 유도체를 변형시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 블레이드는 2 내지 30m/s, 바람직하게는 3 내지 25m/s의 첨단(tip) 속도를 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전분 기질은 1 내지 30중량%의 수분 함유량을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 전술한 어느 한 항에 있어서, 상기 전분 기질은 천연(native) 전분, 전분 유도체, 전분성 물질 및 둘 이상의 이들의 혼합물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 전술한 어느 한 항에 있어서, 상기 전분 기질은 파우더 형태로 반응기에 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 전술한 어느 한 항에 있어서, 상기 반응물은 가수분해제(hydrolysing agent), 산화제(oxidation agent), 산, 덱스트린화제(dextrinisation agent), 알킬화제(alkylation agent), 에스테르화제(esterification agent), 에테르화제(etherification agent), 교차-결합제(cross-bonding agent) 및 둘 이상의 이들의 혼합물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 전술한 어느 한 항에 있어서, 상기 반응물은 미네랄 산(mineral acid), 과산화물(peroxide), 산화제(oxidising agent) 및 둘 이상의 이들의 혼합물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 전술한 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 반응물은 0.001 내지 20중량%의 양으로 부가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 전술한 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 반응물은 액체, 파우더 또는 기체 형태로 반응기에 도입되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 전술한 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 반응물 중 적어도 하나는 반 응기에 도입되기 전에 전분 기질에 부가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 전술한 어느 한 항에 있어서, 상기 전분의 반응기 내에서의 체류 시간은 2 내지 45분인 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 전술한 어느 한 항에 있어서, 상기 반응은 80 내지 220℃ 온도에서 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 전술한 어느 한 항에 있어서, 상기 반응기에 도입된 기체는 공기(air), 스팀(steam), 질소, 이산화탄소 및 둘 이상의 이들의 혼합물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 전분 기질, 기체 및, 미네랄 산, 과산화물 및 산화제로부터 선택된 하나 이상의 반응물을 연속 흐름으로 반응기에 도입하는 단계를 포함하며, 여기서 상기 전분 기질은 1 내지 30중량%의 수분 함유량, 2 내지 45분의 반응기 내 체류시간을 가지고, 80 내지 220℃로 가열되며, 상기 전분 기질 및 기체는 반대 방향으로 반응기에 도입되고 상기 반응기는 하나 또는 다수의 블레이드가 증착된 회전 축을 포함하는 관 모양의 바디를 가지는 것을 특징으로 하는 고(highly) 용해성 전분의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 반응은 염기성(alkaline) 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 고 용해성 전분은 50℃를 넘지 않는 온도의 물에서 70%내지 100% 용해되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. - 하나 또는 다수의 블레이드가 증착된 회전 축; 및
    - 적어도 두 개의 입구를 포함하며, 상기 입구 중 하나는 전분 기질 및 선택적으로 하나 이상의 반응물을 도입하기 위한 것이고, 다른 하나는 가스 도입용이며, 상기 입구들은 전분 및 가스가 반대방향으로 반응기에 도입되도록 위치된 것을 특징으로 하는 사용 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 블레이드 또는 블레이드들은 2 내지 30m/s, 바람직하게는 3 내지 25m/s의 첨단 속도를 가지는 것을 특징으로 하는 사용 방법.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서, 전분 및/또는 전분 유도체의 가수분해, 분해, 산화, 산 분해, 덱스트린화, 표백(bleaching), 에테르화, 에스테르화, 교차-결합, 알킬화 또는 아세틸화에 사용되는 것을 특징으로 하는 사용 방법.
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