KR20230172146A - 이산화탄소를 이용한 유효성분 추출 장치 및 추출 방법 - Google Patents
이산화탄소를 이용한 유효성분 추출 장치 및 추출 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은, 원료와 액체 이산화탄소가 투입되어 상기 원료에서 유효성분을 추출하기 위한 내부 공간을 제공하는 반응기 본체와, 상기 반응기 본체의 하부에 마련되어 상기 액체 이산화탄소의 비등을 유도하는 가열기와, 상기 반응기 본체의 상부에 마련되어 상기 비등한 이산화탄소의 응축을 유도하는 냉각기를 포함하며, 상기 가열기와 상기 냉각기에 의하여 상기 반응기 본체 내부에서 지속적으로 발생하는 다량의 기포와 부력을 동반한 급격한 소용돌이에 의하여 혼합원료가 강제로 뒤섞이면서 원료로부터 유효성분이 신속히 추출될 수 있다.
Description
본 발명은 이산화탄소를 이용하여 원료로부터 유효성분을 추출하는 추출 장치 및 추출 방법에 관한 것이다.
고령화 사회와 더불어 만성 질환 증대로 인해 예방 및 의약 제품의 안전성이 증대가 요구되면서 약용식물은 간단한 가공만으로 이용되는 것에서 확대되어 약리 성분 추출, 성분 연구 등을 통해 의약품, 건강기능식품, 화장품 등의 소재로 활용이 증대되고 있다.
특히 국내는 다양한 약용식물이 다양한 기후 및 토질에 따라 독특한 약리작용을 나타내어 새로운 효능에 관한 연구 및 표준화 연구가 이뤄지고 있으며 이를 활용하여 다양한 의약 제품이 연구되고 있다.
특히 새로운 자생식물을 이용하여 새로운 효능을 확인하는 연구가 많이 이뤄지고 있고 자생식물 단독이나 복합소재를 이용하여 그 자체 물질을 이용하던가 이 약용식물의 유효성분을 규명하고 이를 활용한 연구가 활발하게 이뤄지고 있다.
이런 약용식물을 이용한 천연물 원료 소재의 의약품 및 건강 기능식품으로 산업화가 가속화되어 전 세계 건강식품 시장은 2016년 2,339억 4,000만 달러에서 연평균 성장률 6.03%로 증가하여, 2021년에는 3,135억 6,000만 달러에 이를 것으로 전망되고, 기능성 식품은 국내외 의약품의 50% 정도가 천연물에서 유래된 단일 물질로 보고된다.
국내 약용식물은 오래전부터 사용해 온 경험을 바탕으로 활발하게 연구되고 있으며, 기후 및 지형의 다양성으로 인하여 자생식물 8,458종, 외래식물 438종이 있으며 약용자원으로 사용할 수 있는 식물이 약용으로 1,253종, 식용 826종으로 총 2,104종이 자생하고 있는 것으로 알려져 있으며, 이러한 식물에서 자연적으로 만들어지는 모든 화학물질은 천연물의 주요 성분이며, 이러한 유기화합물을 통틀어 파이토케미컬(phytochemical; 식물 화학물질)이라 말하고, 식물에는 매우 다양한 2차 대사산물이 풍부하며, 생합성 기원으로 카로티노이드, 페놀, 알칼로이드, 질소 함유 화합물 및 유기황 화합물 등으로 분류할 수 있다.
종래의 유효성분 추출 방법은 먼저 건조된 원료를 분쇄해서 용매에 침적 시키면 팽창과 수화 (hydration)가 일어나고, 뒤이어 확산과 삼투압에 의해 원료 내 가용성 성분이 용매로 이동하는, 즉 식물세포 구조에 함유된 성분이 용매로 이동하여 결국 평형을 유지하게 되는 질량이동 현상이 발생하게 되는데 이를 추출이라고 한다.
유효성분 또는 이차 대사물질(secondary metabolites) 혹은 생리활성 물질(bioactive ingredients)은 세포질(cytoplasm)에서 합성되어 최종적으로 불용성 구조인 식물세포의 액포(vacuole)나 지질단백 이중층(lipoprotein bilayer)으로 둘러싸인 구조에 포함되어 있어서 추출하기 용이하지 않다. 따라서 약재에서 어떤 성분의 추출 수율을 높이기 위해서는 해당 성분의 질량 이동률을 증가시키는 것이 중요하다. 질량 이동률이 증가하게 되면 세포 투과성과 이차 대사물질의 확산이 증가하는데, 이러한 질량이동은 구성 성분의 농도 변화, 가열 또는 고압, 초음파, 펄스 자기장 등에 의해 향상될 수 있다.
한편, 초임계 유체 추출기술(Supercritical fluid extraction technology)은 임계온도 및 임계 압력 이상의 유체를 사용하는 기술로 의약품, 식품가공 및 석유화학물질 정제 등의 추출, 정제관련 분야에서 기존의 공정을 대체할 수 있는 새로운 환경 친화적 청정기술로 주목받고 있다.
특히, 근자에 이르러 에너지 자원 가격의 상승, 전통적인 분리공정이 지니는 환경폐해, 기체나 액체 공정으로 제조가 불가능한 특수 목적 신소재 수요의 신장 등의 이유로 선진 각국에서는 지난 30여 년간, 전통적인 공정으로 기체나 액체를 사용하는 개념을 탈피하여 초임계 유체 기술을 공정 유체로 사용하는 신공정 유체기술의 개발에 심혈을 기울여 오고 있다. 그 결과 공정 유체로서 초임계 유체를 사용하는 기술은 정밀화학, 에너지, 환경, 신소재 등 제반 산업에 급속도로 파급되면서 전통적인 다양한 분리 기술을 초임계 유체 공정을 이용하는 신기술로 대체하고 있는 중이다.
초기 초임계 유체 기술이 천연물 추출 정제에 주로 적용된 분야는 향신료, 화장품, 지방 등과 같이 비극성 물질, 저가의 식품이나 향료 성분에 국한되었으나 최근들어 이 기술에 관련된 여러 현상학적 특성 및 부가적 기술의 발전으로 극성, 소량, 고가의 천연의약품 추출 정제에 응용되기에 이르렀다.
초임계 유체 후보는 그 종류가 매우 다양한데, 그 중 이산화탄소를 가장 많이 사용한다. 이산화탄소는 자연에 무한량 존재할 뿐만 아니라 제철산업이나 석유화학산업에서 다량 발생하는 물질이다. 또한, 이산화탄소는 무색, 무취, 인체에 무해하며 또한 화학적으로 매우 안정한 물질이다. 여기에 덧붙여 이산화탄소는 그 어떤 유체보다 낮은 임계온도(31.1℃)와 임계 압력(7.38 MPa)을 나타내 쉽게 초임계 조건으로 조정이 가능하여 환경 친화적 특성뿐만 아니라 효율적 에너지 사용 면에서도 큰 장점을 갖는다.
더군다나 이 기술이 천연 생리활성물질의 분리, 정제 분야에서 적용될 시에는 기존의 공정에서 발생하는 문제점, 즉 최종 산물 내에 잔류하는 유기용매에 의한 인체독성, 고비용, 폐기 용매에 의한 환경공해, 목적성분의 변성 및 낮은 추출 선택성 등을 상당부분에서 해결 또는 보완할 수 있다.
그러나 상용적으로 이용되고 있는 종래의 이산화탄소를 이용한 초임계 유체 추출 기법은 매우 고압인 초고압 추출 조건이 필요하거나 혹은 초고압 상태에서 장기간 유지하여야 하기 때문에 이로 인하여 초고압의 승압에 필요한 과다한 에너지와 초고압을 견딜 수 있는 반응기 등 고비용이 소요되며 또한 장시간 초고압 환경을 유지하여야 하기 때문에 추출 공정에 장시간이 소요된다는 단점을 가지고 있다.
가령 대한민국 공개특허 제10-2014-0088982호 "초임계 이산화탄소 추출방법을 이용한 차조기 추출물의 제조방법" (2014. 7.14. 공개)은, 차조기 분말에 초임계 이산화탄소를 용매로 사용하여 30 ~ 70℃의 온도에서 100 ~ 300 bar(약 10~30 MPa)의 압력(바람직하기로는 233 bar)으로 2~3시간 동안 추출한다고 기재되어 있다.
대한민국 특허등록 제10-0849156호 "초임계 이산화탄소를 이용한 라이코펜 추출"(2008. 7.23. 등록)은, 동결건조된 수박 케익 또는 건조되지 않은 수박케익을 6000~9000 psi(약 41~62 MPa) 및 40~70℃의 조건에서 초임계 이산화탄소를 이용하여 라이코펜이 농축된 추출물을 제조하는 방법에 대하여 기재되어 있다.
이와 같은 종래의 초임계 이산화탄소를 이용한 추출 기법은 이산화탄소의 압력에만 의존하여 추출을 진행하다는 점에서, 이산화탄소를 초고압으로 승압시켜야 하며, 초고압 상태에서 장시간 유지되어야 한다는 기술적 전제 조건을 가지게 된다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 비교적 낮은 압력의 이산화탄소를 이용하여 초고압으로의 승압에 필요한 에너지의 절약과 관련 장비들의 초고압에 대한 내압 성능이 불필요하도록 하고, 비교적 짧은 시간에 추출이 가능하여 매우 효율적으로 유효성분의 추출이 가능한 추출 장치 및 추출 방법을 제안하고자 한다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 원료와 액체 이산화탄소가 투입되어 상기 원료에서 유효성분을 추출하기 위한 이산화탄소를 이용한 유효성분 추출 장치에 있어서, 상기 원료와 상기 액체 이산화탄소가 투입되어 상기 원료에서 유효성분을 추출하기 위한 내부 공간을 제공하는 반응기 본체와, 상기 반응기 본체의 하부에 마련되어 상기 액체 이산화탄소의 비등을 유도하는 가열기와, 상기 반응기 본체의 상부에 마련되어 상기 비등한 이산화탄소의 응축을 유도하는 냉각기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에 있어서, 상기 반응기 본체는 실린더 형태이며, 상기 반응기 본체 내부에 마련되어 상기 반응기 본체의 내부 공간을 하부의 반응실과 상부의 압력실로 구분하며 상기 반응기 본체를 따라 상하로 이동 가능한 피스톤이 마련되며, 상기 반응기 본체 상부에 압축가스 공급관과 압축가스 배출관이 각각 연결되는 것이 바람직하다.
상기에 있어서, 상기 반응기 본체의 내부 공간의 하부에 상하방향으로 연장되는 복수의 관통구가 형성된 필터 지지판이 마련되며, 상기 필터 지지판의 상부에 필터가 마련되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 사상으로, 원료와 액체 이산화탄소가 투입되어 상기 원료에서 유효성분을 추출하기 위한 이산화탄소를 이용한 유효성분 추출 방법에 있어서, 반응기 본체의 내부 공간에 상기 원료와 상기 액체 이산화탄소를 투입한 후, 상기 반응기 본체의 하부에 마련된 가열기로 상기 이산화탄소를 가열하여 상기 액체 이산화탄소의 비등을 유도하는 동시에 상기 반응기 본체의 상부에 마련된 냉각기로 상기 이산화탄소를 냉각하여 상기 비등한 이산화탄소의 응축을 유도하면서 상기 원료에서 유효성분을 추출하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 본 발명은, 비교적 낮은 압력인 약 7.4 MPa의 이산화탄소를 이용하여 초고압으로의 승압에 필요한 에너지의 절약과 관련 장비들의 초고압에 대한 내압 성능이 불필요하며, 비교적 단시간에 추출이 가능하여 매우 효율적으로 유효성분의 추출이 가능한 추출 장치 및 추출 방법을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 이산화탄소를 이용한 유효성분 추출 장치의 단면 개념도,
도 2는 도 1을 분리한 상태의 단면 개념도,
도 3은 도 1의 필터 지지판의 평면도,
도 4는 도 3의 필터 지지판의 단면도.
도 2는 도 1을 분리한 상태의 단면 개념도,
도 3은 도 1의 필터 지지판의 평면도,
도 4는 도 3의 필터 지지판의 단면도.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 이산화탄소를 이용한 유효성분 추출 장치의 단면 개념도이며, 도 2는 도 1을 분리한 상태의 단면 개념도이며, 도 3은 도 1의 필터 지지판의 평면도이며, 도 4는 도 3의 필터 지지판의 단면도이다.
본 실시예는 반응기 본체(110)와 가열기(120)와 냉각기(130)와 피스톤(140) 등으로 이루어진다.
본 실시예에서 추출 대상인 원료는 분쇄된 상태의 동식물 원료가 바람직하며, 구체적인 예로서 분쇄된 상태의 식물 원료를 제시하고 있지만, 이에 한정되지 않는다.
반응기 본체(110)는 입형 실린더(vertical cylinder) 형태이다.
반응기 본체(110)의 일측에는, 분쇄된 동식물 원료와 액체 이산화탄소가 투입되는 입구 포트(111)가 마련된다.
입구 포트(111)에는 입구용 개폐 밸브(111a)가 마련된다.
반응기 본체(110)는 원료에서 유효성분을 추출하기 위한 내부 공간을 제공한다.
반응기 본체(110)의 하부에는 추출된 유효성분이 용해된 상태의 용해액이 배출되는 출구 포트(112)가 마련된다.
출구 포트(112)에는 출구용 개폐 밸브(112a)와 체크 밸브(112b)가 마련된다.
본 실시예의 반응기 본체(110)는, 닫힌 상부와 개방된 하부를 가진 실린더 형태의 상부 본체(113)와, 상부 본체(113)의 개방된 하부를 닫는 하부 덮개(114)를 포함한다.
상부 본체(113)와 하부 덮개(114)는, 그 사이에 가스켓이 삽입된 후 볼트에 의하여 서로 플랜지 결합된다.
하부 덮개(114)의 상부에는, 상하방향으로 연장되는 복수의 관통구(115a)가 형성된 원판 형태의 필터 지지판(115)이 안착된다.
필터 지지판(115)을 안정적으로 지지하기 위하여 하부 덮개(114)에는 복수의 받침대(114a)가 마련된다.
필터 지지판(115)의 상면에는 필터(116)가 안착된다.
필터(116)는, 추출이 완료된 혼합원료(원료와 액체 이산화탄소)에서 유효성분이 용해된 용해액(유효성분이 추출된 액체 이산화탄소)은 통과시키고 잔사(찌꺼기)는 걸러내기 위하여 마련된다.
잔사(찌꺼기)와 필터(116)는 후술하는 점검구(113a)를 통하여 제거될 수 있다.
비교적 작은 크기의 점검구(113a)를 통하여 필터(116) 교체가 가능하도록, 필터(116)는 접이식 부채형 필터를 사용하는 것이 바람직하다.
즉 접이식 부채형 필터를 접은 상태에서 쉽게 점검구(113a)를 통과한 후에 필터 지지판(115) 위에 펼쳐 놓으면 접이식 부채형 필터의 설치가 간단하게 완료된다.
상부 본체(113)의 측면에는 입구 포트(111)와 점검구(113a)가 각각 형성된다.
점검구(113a)는 내부 청소와 필터 교체를 위하여 형성된다.
반응기 본체(110)는 대략 7.4MPa 이상의 압력에서 작동하기 때문에 경제성과 안전한 작동을 위하여 점검구(113a)를 작게 형성하는 것이 바람직하다.
실린더 형태의 상부 본체(113)의 내부를 따라 상하로 이동 가능한 피스톤(140)이 마련된다.
피스톤(140)에 의하여 반응기 본체(110)의 내부 공간은 하부의 반응실(117)과 상부의 압력실(118)로 구분될 수 있다.
피스톤(140)은 원판 형태의 피스톤 본체(141)와 피스톤 본체(141)의 가장자리를 따라 마련되는 피스톤용 가스켓(142)으로 이루어진다.
피스톤(140)은 추출이 완료된 반응실(117)의 혼합원료를 상부에서 압착하여 배출하기 위한 것이다.
상부 본체(113)의 상부에 압축가스 공급관(151) 및 압축가스 배출관(152)이 각각 연결되며, 상부 본체(113)의 측벽 일측에 압력 평형용 보조관(153)이 연결된다.
즉 압축가스 공급관(151) 및 압축가스 배출관(152)은 압력실(118)에 각각 연결되며, 압력 평형용 보조관(153)은 반응실(117)에 연결된다.
압력 평형용 보조관(153)은 일단이 상부 본체(113)의 반응실(117) 연결되는 한편 타단이 압축가스 배출관(152)의 중간부에 연결된다.
압축가스 공급관(151)에는 제1제어 밸브(151a)가 마련된다.
압축가스 배출관(152)에는 제3개폐 밸브(152a)가 마련된다.
제3개폐 밸브(152a)는 압력 평형용 보조관(153)에 대하여 반응기 본체(110)의 반대측에 마련된다.
압력 평형용 보조관(153)에는 제2제어 밸브(153a)가 마련된다.
상부 본체(113)의 하부 외주면에 가열기(120)가 부착되어 있으며, 상부 본체(113)의 상부 외주면에 냉각기(130)가 부착되어 있다.
가열기(120)는 이산화탄소를 가열하여 액체 이산화탄소의 비등을 유도하기 위한 것으로, 온도계(미도시)가 장착되어 자동 제어되는 것이 바람직하다.
냉각기(130)는 이산화탄소를 냉각하여 비등한 이산화탄소의 응축을 유도하기 위한 것으로, 온도계(미도시)가 장착되어 자동 제어되는 것이 바람직하다.
냉각기(130)는 액체 이산화탄소의 증발에 의하여 주변 열을 흡수하는 패드형 냉각기이다.
따라서 냉각기(130)에는 액체 이산화탄소 공급관(131)과 기체 이산화탄소 배출관(132)이 각각 연결된다.
액체 이산화탄소 공급관(131)에는 제4제어밸브(131a)와 팽창밸브(131b)가 마련된다.
따라서 액체 이산화탄소 공급관(131)을 통하여 공급되는 액체 이산화탄소는 팽창밸브(131b)를 거치면서 팽창되어 증발되기 쉬운 상태로 변화되며, 냉각기(130)에서 증발되면서 주변 열(구체적으로는 반응기 본체(110)의 상부의 기체 이산화탄소의 응축열)을 흡수하며, 이후 기체 이산화탄소 배출관(132)을 통하여 외부로 배출된다.
냉각기(130)는 액체 이산화탄소를 이용함으로써 혼합원료의 이산화탄소와 동일한 원료를 사용하여 전체적인 추출 시스템을 단순화시킬 수 있다.
본 실시예의 작용에 대하여 설명한다.
(1) 원료 및 액체 이산화탄소 투입
입구 포트(111)를 통하여 분쇄된 동식물 원료와 액체 이산화탄소가 혼합된 혼합원료가 반응기 본체(110)의 반응실(117)로 투입된다.
실시예에 따라서는 분쇄된 동식물 원료가 먼저 투입된 후 액체 이산화탄소가 나중에 투입될 수 있다.
반응실(117) 내부로 투입된 혼합원료는 액체 이산화탄소에 의하여 약 7.4 MPa의 압력을 유지하게 된다.
액체 이산화탄소의 온도와 압력은 임계온도 31.1℃와 임계압력 7.4 MPa의 아임계 부근과 초임계 부근 사이로서, 이와 같은 온도 및 압력은 전체적인 장비의 가격을 파격적으로 절감시키며, 에너지 소비량을 줄여 매우 효과적이고 경제적이다.
상기와 같이 반응실(117)에 투입되는 원료는, 액체 이산화탄소와 별개로 투입되거나, 액체 이산화탄소와 혼합되어 투입될 수 있다.
또한 액체 이산화탄소와 혼합되어 투입되는 동식물 원료는, 투입되기 이전에 미리 고전압 펄스 전기장(PEF; Pulsed Electric Field) 처리되는 것이 바람직하다.
PEF 분야의 혁신 잠재력은 펌핑 가능한 신선한 식품의 처리를 위한 이 기술의 광범위한 구현이다. 전통적인 열 살균은 비타민과 같은 건강 증진 성분을 파괴하고 신선한 맛을 잃게 하지만, PEF를 적용하면 신선한 맛이 주요 품질 매개변수인 주스나 스무디(Smoothie)와 같은 열에 민감한 제품의 품질에 해로운 영향 없이 장기간 보존할 수 있다. PEF 처리 기술은 다양한 용량 옵션이 있는 연속 작동 및 간단한 장비 설계로 기존 생산 라인에 쉽게 구현할 수 있다.
PEF 처리에는 10~60kV 정도의 마이크로 고전압 펄스가 적용된다. 인가된 고전압 펄스는 세포막의 미세 기공을 유도하여 장벽 기능 상실, 세포 내 내용물 누출 및 활력 상실을 유발하게 한다.
PEF 처리 장치를 통해 펌핑이 가능한 액체 또는 반점성 액체나 운송되어야 하는 고체 제품은 고전압 펄스에 노출되게 한다. 필요한 처리 시간은 1초 미만으로 펄스는 모든 볼륨 요소를 충분히 처리할 수 있도록 초당 최대 500번 이상 반복 속도로 적용된다. 전계 강도 및 특정 에너지 입력과 같은 전기 매개변수 외에도 제품 온도 및 제품 레시피도 처리 강도에 영향을 미친다.
물론 실시예에 따라서는 PEF 처리되지 않은 원료가 투입될 수도 있다.
액체 이산화탄소를 포함한 혼합원료의 압력에 의하여 피스톤(140)은 반응기 본체(110)의 상부로 이동한다.
(2) 추출 (가열 및 냉각)
원료와 액체 이산화탄소가 투입된 후 추출 공정이 시작된다.
하부의 가열기(120)의 작동에 의하여 아임계 상태의 혼합원료가 가열되면, 반응실(117) 내부의 혼합원료의 압력이 이산화탄소의 임계압력 이상으로 급격히 상승하면서 초임계 상태가 되고, 액체 이산화탄소가 비등하면서 다량의 기포와 부력을 동반한 급격한 소용돌이가 반응실(117) 내부의 하방향에서 상방향으로 일어나면서 난류(turbulent flow)가 발생하여 혼합원료를 강제로 뒤섞으면서 원료로부터 유효성분이 신속히 분리될 수 있다.
한편 가열기(120)만 작동하는 상태가 유지되면 시간의 경과에 따라 반응실(117)의 압력이 전체적으로 상승하면서 점점 기포와 소용돌이의 발생이 감소할 것이다.
이를 방지하기 위하여 하부의 가열기(120)와 함께 상부의 냉각기(130)를 가동시킨다.
냉각기(130)가 가동되면 반응실(117) 상부에서 응축작용이 일어나, 즉 반응실(117) 상부로 상승한 고온의 기체 이산화탄소가 냉각되면서 응축된 후 다시 반응실(117) 하부로 이동하여, 반응실(117) 내부에서 지속적으로 다량의 기포와 급격한 소용돌이가 유지되면서, 마치 열 사이펀(thermal siphon)과 같은 운전이 가능하여 분쇄된 동식물 원료에서 유용성분을 다량 추출할 수 있다.
상기와 같이 반응실(117) 내부의 혼합원료는 아임계와 초임계(임계온도 31.1℃와 임계압력 7.4 MPa)의 온도 및 압력 주변 범위에서 작동되므로, 전체적인 장비의 가격을 파격적으로 절감시키며, 에너지 소비량을 줄여 매우 효과적이고 경제적이다.
(3) 추출 용해액 배출
일정 시간 동안 분쇄된 동식물 원료에서 유용성분을 추출한 후, 가열기(120) 및 냉각기(130)의 작동이 중지된다.
이후 제1제어밸브(151a)가 열리면서 압축가스 공급관(151)으로 압축가스가 공급되어 압력실(118)의 압력이 상승하며, 압력실(118)의 압력 상승에 의하여 압축가스가 피스톤(140)을 하부로 밀어내고, 피스톤(140)은 하부로 이동하면서 반응실(118)의 혼합원료를 압착하여 유용성분이 추출된 용해액이 필터(116)와 필터 지지판(115)의 관통구(115a)를 지나 출구 포트(112)를 통하여 외부로 배출된다.
외부로 배출된 추출 용해액은 별도의 분리기를 통하여 유용성분을 분리할 수 있다. 가령 분쇄된 식물 원료에서 추출된 용해액은 화장수와 에센셜 오일로 분리될 수 있다.
아울러 필터(116)에 걸러진 잔사(찌꺼기)는 점검구(113a)를 통하여 외부로 배출된다.
이때 압축가스 공급관(151)으로 공급되는 압축가스는 7.4MPa의 기체 이산화탄소이며, 피스톤(140)은 별도의 전동기 없이 기체 이산화탄소의 압력에 의하여 하부로 이동 가능하다.
(4) 피스톤 1차 상부 이동
유용성분이 배출된 후 제1제어밸브(151a)가 닫힌다.
이후 제3개폐 밸브(152a)가 닫힌 상태에서 제2제어 밸브(153a)가 열린다.
이에 의하여 반응기 본체(110)의 압력실(118)의 압축가스의 일부가 압축가스 배출관(152) 및 압력 평형용 보조관(153)을 통하여 반응실(117)로 이동한다.
이는 압력실(118)과 반응실(117)의 압력이 동일하게 될 때까지 지속되며, 이에 의하여 피스톤(140)이 1차로 상부로 이동하여 피스톤(140)은 반응기 본체(110)의 상하방향 중간부에 위치하게 된다.
(5) 피스톤 2차 상부 이동
피스톤이 1차로 상부로 이동한 후, 원료 투입 등에 의하여 피스톤이 2차로 상부로 이동한다.
즉 반응실(117)로 혼합원료가 다시 투입되며, 이에 의하여 피스톤(140)은 상방향으로 더 이동하여 압력실(118)의 압력이 상승하기 시작한다. 이때 제3개폐 밸브(152a)를 열어 압력실(118)의 잔류 압축가스를 압축가스 배출관(152)을 통하여 배기시키면, 반응실(117)의 압축가스(기체 이산화탄소)가 팽창하면서 피스톤(140)을 상부로 더 밀어 올린다.
실시예에 따라서는 반응실(117)에 다시 한 번 액체 이산화탄소를 주입하여 추출 과정을 다시 반복할 수도 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것일 뿐 한정적이 아닌 것으로 이해되어야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110 : 반응기 본체
111 : 입구 포트 112 : 출구 포트
113 : 상부 본체 113a : 점검구
114 : 하부 덮개 114a : 받침대
115 : 필터 지지판 115a : 관통구
116 : 필터
117 : 반응실 118 : 압력실
120 : 가열기
130 : 냉각기 131 : 액체 이산화탄소 공급관
131a : 제4제어밸브 131b : 팽창밸브
132 : 기체 이산화탄소 배출관
140 : 피스톤
141 : 피스톤 본체 142 : 피스톤용 가스켓
151 : 압축가스 공급관 151a : 제1제어 밸브
152 : 압축가스 배출관 152a : 제3개폐 밸브
153 : 압력 평형용 보조관 153a : 제2제어 밸브
111 : 입구 포트 112 : 출구 포트
113 : 상부 본체 113a : 점검구
114 : 하부 덮개 114a : 받침대
115 : 필터 지지판 115a : 관통구
116 : 필터
117 : 반응실 118 : 압력실
120 : 가열기
130 : 냉각기 131 : 액체 이산화탄소 공급관
131a : 제4제어밸브 131b : 팽창밸브
132 : 기체 이산화탄소 배출관
140 : 피스톤
141 : 피스톤 본체 142 : 피스톤용 가스켓
151 : 압축가스 공급관 151a : 제1제어 밸브
152 : 압축가스 배출관 152a : 제3개폐 밸브
153 : 압력 평형용 보조관 153a : 제2제어 밸브
Claims (4)
- 원료와 액체 이산화탄소가 투입되어 상기 원료에서 유효성분을 추출하기 위한 이산화탄소를 이용한 유효성분 추출 장치에 있어서, 상기 원료와 상기 액체 이산화탄소가 투입되어 상기 원료에서 유효성분을 추출하기 위한 내부 공간을 제공하는 반응기 본체와, 상기 반응기 본체의 하부에 마련되어 상기 액체 이산화탄소의 비등을 유도하는 가열기와, 상기 반응기 본체의 상부에 마련되어 상기 비등한 이산화탄소의 응축을 유도하는 냉각기를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소를 이용한 유효성분 추출 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 반응기 본체는 실린더 형태이며, 상기 반응기 본체 내부에 마련되어 상기 반응기 본체의 내부 공간을 하부의 반응실과 상부의 압력실로 구분하며 상기 반응기 본체를 따라 상하로 이동 가능한 피스톤이 마련되며, 상기 반응기 본체 상부에 압축가스 공급관과 압축가스 배출관이 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소를 이용한 유효성분 추출 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 반응기 본체의 내부 공간의 하부에 상하방향으로 연장되는 복수의 관통구가 형성된 필터 지지판이 마련되며, 상기 필터 지지판의 상부에 필터가 마련되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소를 이용한 유효성분 추출 장치.
- 원료와 액체 이산화탄소가 투입되어 상기 원료에서 유효성분을 추출하기 위한 이산화탄소를 이용한 유효성분 추출 방법에 있어서, 반응기 본체의 내부 공간에 상기 원료와 상기 액체 이산화탄소를 투입한 후, 상기 반응기 본체의 하부에 마련된 가열기로 상기 이산화탄소를 가열하여 상기 액체 이산화탄소의 비등을 유도하는 동시에 상기 반응기 본체의 상부에 마련된 냉각기로 상기 이산화탄소를 냉각하여 상기 비등한 이산화탄소의 응축을 유도하면서 상기 원료에서 유효성분을 추출하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소를 이용한 유효성분 추출 방법.
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| KR100849156B1 (ko) | 2007-01-23 | 2008-07-30 | 한국식품연구원 | 초임계 이산화탄소를 이용한 라이코펜 추출 |
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| KR20140088982A (ko) | 2012-12-31 | 2014-07-14 | 동의대학교 산학협력단 | 초임계 이산화탄소 추출방법을 이용한 차조기 추출물의 제조방법 |
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