KR20240050608A - 커피박의 건조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 커피박의 건조 방법에 관한 것이다. 커피박의 건조 방법은 수집된 커피박을 분쇄하여 입도 조절을 하는 단계; 입도 조절이 된 커피박을 유증 열분해를 하는 단계; 및 유증 열분해가 된 커피박을 감압 열분해를 시키는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 커피박의 건조 방법에 관한 것이고, 구체적으로 연소용 소재 또는 비료와 같은 다양한 원료의 제조를 위하여 커피박의 함수율을 조절하는 커피박의 제조 방법에 관한 것이다.
커피를 만들고 남은 부산물에 해당하는 커피박은 다양한 유기 또는 무기 원소를 포함하고 있고, 유기물의 함량이 32 내지 40 %가 되면서 다양한 무기 원소를 포함하고 있다. 예를 들어 커피박은 K2O, CaO, MgO, Na2O, 망간 또는 아연을 포함하면서 탄소와 질소의 비율이 20 내지 25가 되는 특성을 가진다. 또한 커피박은 단백질 5 내지 10%, 조섬유 20 내지 25% 및 조지방 3 내지 8%의 영양분을 포함하면서 셀룰로오스 또는 리그닌과 같은 목질 성분을 포함하여 발열양이 약 5650 kcal/kg이 된다는 특징을 가진다. 커피박은 이와 같은 특성으로 인하여 매립 또는 소각이 되는 경우 메탄을 배출시키고, 메탄은 이산화탄소에 비하여 34배가 되는 지구온난화 지수 값을 가진다. 그러므로 커피박이 적절한 방법으로 재활용이 될 필요가 있다. 커피박의 재활용과 관련하여 특허등록번호 10-1831607은 커피박을 함유하는 고형 연료용 펠릿 및 이의 제조 방법에 대하여 개시한다. 또한 특허등록번호 10-2174396은 커피를 제조하고 나오는 찌꺼기인 커피박을 주원료로 이용한 고형 연료 및 이의 제조방법에 대하여 개시한다. 또한 특허공개번호 10-2022-0105215는 커피박을 이용한 캠핑용 펠릿 제조방법에 대하여 개시한다. 커피박을 유용한 자원으로 재활용을 하기 위하여 커피박은 약 60%의 함수율을 가지므로 미리 커피박이 건조될 필요가 있다. 그러나 선행기술은 이와 같은 커피박의 건조 방법에 대하여 개시하지 않는다.
본 발명은 선행기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로 아래와 같은 목적을 가진다.
본 발명의 목적은 다량의 수분을 함유하는 커피박을 단계적인 열분해에 의하여 수분 함량을 조절하여 다양한 형태의 연소 소재 또는 바이오차(biochar)의 제조가 가능한 커피박의 건조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 커피박의 건조 방법은 수집된 커피박을 분쇄하여 입도 조절을 하는 단계; 입도 조절이 된 커피박을 유중 열분해를 하는 단계; 및 유중 열분해가 된 커피박을 감압 열분해를 시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 유중 열분해의 과정에서 기름과 커피박이 비율은 중량 비율로 커피박: 기름 = 1: 1.2 내지 3.0이 되고, 건조 온도는 90 내지 150 ℃가 된다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 감압 열분해는 200 내지 400 ℃의 온도에서 단계적으로 진행된다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 감압 열분해에 의하여 커피박의 함수율은 1 내지 10 wt%가 된다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 감압 열분해의 과정에서 온도 조절을 위하여 적외선 또는 마이크로웨이브가 조사된다.
본 발명에 따른 커피박의 건조 방법은 커피의 추출 후 잔여물에 해당하는 커피박으로부터 수분을 제거하여 예를 들어 바이오 연료 소재, 바이오차(biochar) 또는 퇴비와 같은 다양한 형태의 재활용 소재로 사용될 수 있도록 한다. 본 발명에 따른 건조 방법은 건조 과정에 따라 커피박의 함수율을 적절하게 조절하여 필요에 따라 다양한 소재로 만들어질 수 있도록 한다. 예를 들어 본 발명에 따른 건조 방법에 의하여 건조된 커피박은 펠렛 형태로 만들어져 보일러 연소 연료 또는 다양한 산업 연소 연료로 사용될 수 있다. 또한 본 발명에 따라 건조된 커피박은 바이오차로 만들어질 수 있다. 본 발명에 따른 건조 방법은 폐기물로 버려지는 커피박을 처리하여 다양한 산업용 원료 또는 소재로 사용될 수 있도록 하여 환경 친화적이라는 장점을 가진다.
도 1은 본 발명에 따른 커피박의 건조 방법의 실시 예를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 건조 방법에 해당하는 증발 열분해 과정의 실시 예를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 건조 방법에 해당하는 감압 열분해 과정의 실시 예를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 건조 방법에 해당하는 증발 열분해 과정의 실시 예를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 건조 방법에 해당하는 감압 열분해 과정의 실시 예를 도시한 것이다.
아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 아래의 설명에서 서로 다른 도면에서 동일한 도면 부호를 가지는 구성요소는 유사한 기능을 가지므로 발명의 이해를 위하여 필요하지 않는다면 반복하여 설명이 되지 않으며 공지의 구성요소는 간략하게 설명이 되거나 생략이 되지만 본 발명의 실시 예에서 제외되는 것으로 이해되지 않아야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 커피박의 건조 방법의 실시 예를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 커피박의 건조 방법은 수집된 커피박을 분쇄하여 입도 조절을 하는 단계(P11); 입도 조절이 된 커피박을 유중 열분해를 하는 단계(P12); 및 유중 열분해가 된 커피박을 감압 열분해를 시키는 단계(P13)를 포함한다.
그라인딩이 된 커피는 침출 방식, 여과 방식 또는 가압 방식에 의하여 추출이 될 수 있고, 커피의 종류 또는 추출 방식에 따라 예를 들어 50 내지 2,000 ㎛의 범위에서 다양한 크기로 그라인딩이 될 수 있다. 커피가 추출된 이후 잔여물에 해당하는 커피박은 추출 과정에서 서로 뭉쳐지거나, 서로 다른 입도를 가질 수 있으므로 입도 조절을 위하여 분쇄가 될 수 있다(P11). 분쇄는 예를 들어 비드의 충돌에 의하여 분쇄가 되는 습식 분쇄 방식이 적용될 수 있지만 이에 제한되지 않고 다양한 방법으로 분쇄가 되어 입도가 조절될 수 수 있다. 예를 들어 분쇄에 의하여 커피 박의 입도가 500 ㎛ 이하, 바람직하게 200 ㎛ 이하, 가장 바람직하게 100 ㎛ 이하가 되도록 입도가 조절될 수 있다. 분쇄가 되어 입도가 조절되면(P11), 커피박이 일차적으로 유중 열분해가 될 수 있다(P12). 유중 열분해는 기름에 의하여 커피박에 포함된 수분을 제거하는 과정이 될 수 있고, 다양한 종류의 식물성 기름, 동물성 기름 또는 광물성 기름이 열매체로 사용될 수 있다. 예를 들어 콩기름, 실리콘 기름, 폐식용유 또는 이와 유사한 기름이 커피박의 건조를 위한 열매체가 될 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 건조되지 않은 커피박의 함수율은 약 60 wt%가 되고, 유중 열분해에 의하여 커피박의 함수율은 5 내지 15 wt%가 되도록 조절될 수 있다. 유중 열분해를 위하여 기름과 커피박의 비율은 기름과 커피박이 비율은 중량 비율로 커피박: 기름 = 1: 1.2 내지 3.0이 되도록 기름에 커피박이 투입될 수 있다. 열분해를 위한 건조 온도는 90 내지 150 ℃가 될 수 있고, 열분해 시간은 5 내지 25분이 될 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 기름의 양이 많아질수록, 건조 온도가 높을수록 그리고 열분해 시간이 길어질수록 함수율이 낮아지므로 조절되어야 하는 함수율에 따라 기름의 양, 온도 또는 열분해 시간이 적절하게 조절될 수 있다. 본 발명의 하나의 적절한 실시 형태에 따르면, 열분해는 감압 조건에서 진행될 수 있고, 예를 들어 350 내지 600 ㎜Hg의 압력 조건에서 열분해가 진행될 수 있다. 다양한 압력 조건에서 유중 열분해가 진행될 수 있고 이에 의하여 본 발명은 제한되지 않는다. 이와 같은 유중 열분해에 의하여 건조된 커피박에 대하여 감압 열분해 공정이 진행될 수 있다(P13).
감압 열분해 공정은 200 내지 400 ℃의 온도에서 5 내지 20분 동안 진행될 수 있고, 단계적으로 진행될 수 있다. 구체적으로 감압 열분해 공정은 진공 건조실에서 진행될 수 있고, 진공 건조실은 20 내지 100 ㎜Hg의 압력으로 유지될 수 있고, 내부 온도의 조절이 가능한 구조를 가질 수 있다. 진공 건조실의 내부에 온도 조절 수단이 배치될 수 있고, 기름 증기의 유도 수단이 배치될 수 있다. 감압 열분해 공정은 단계적으로 진행될 수 있고, 예를 들어 2 내지 5 단계로 나누어 진행될 수 있다. 커피박은 셀룰로오스, 리그닌, 단백질, 조섬유, 조지방 또는 이와 유사한 성분을 포함할 수 있다. 감압 열분해 과정이 단계적으로 진행되어 이와 같이 다양한 성분에 포함된 수분이 제거될 수 있다. 예를 들어 200 내지 300 ℃의 온도에서 10분 동안 열분해가 된 이후 300 내지 400 ℃의 온도에서 5분 동안 열분해가 될 수 있다. 또는 200 내지 250 ℃의 온도에서 8분 동안; 250 내지 300 ℃의 온도에서 5분 동안; 그리고 300 내지 350 ℃의 온도에서 3분 동안; 그리고 350 내지 400 ℃의 온도에서 1분 동안 열분해가 진행될 수 있다. 이와 같이 낮은 온도에서 긴 시간 동안 그리고 높은 온도에서 짧은 시간 동안 단계적으로 진행될 수 있다. 진공 온도실의 온도는 히터에 의하여 제어될 수 있고, 추가로 적외선 또는 마이크로웨이브에 의하여 온도가 조절될 수 있다. 구체적으로 진공 건조실의 내부로 마이크로웨이브 또는 적외선이 조사되어 커비박을 형성하는 다양한 성분의 내부에 존재하는 수분이 제거될 수 있다. 이와 같은 방법으로 커피박이 건조가 되면 커피박은 최종적으로 1 내지 10 wt%, 바람직하게 1 내지 5 wt%의 함수율을 가질 수 있다. 그리고 이와 같은 함수율을 가진 건조 커피박은 펠렛 형태로 만들어져 가정용 또는 산업용 연소 소재로 사용되거나, 바이오차(biochar)로 적용될 수 있다.
아래에서 각각의 열분해 과정에 대하여 구체적으로 설명된다.
도 2는 본 발명에 따른 건조 방법에 해당하는 증발 열분해 과정의 실시 예를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 커피박이 컨베이어와 같은 이송 수단에 의하여 이송될 수 있고(P21), 이와 함께 기름(oil)이 가열되어 준비될 수 있다. 커피박의 이송은 컨베이어와 같은 이송 수단에 의하여 이루어질 수 있고, 이송 컨베이어에 길이 방향을 따라 히터가 설치될 수 있다. 또한 컨베이어에 건조 공기가 순환될 수 있다. 이와 같은 히터와 건조 공기에 의하여 이송 과정에서 커피박에 포함된 수분의 일부가 제거될 수 있다. 가열된 기름이 준비될 수 있고(P22), 이송된 커피박이 가열된 기름이 채워진 건조 챔버의 내부로 투입될 수 있다(P23). 건조 챔버의 내부 온도가 90 내지 150 ℃가 되도록 유지될 수 있고, 기름은 투입되는 커피박의 양에 따라 1: 1.2 내지 3.0배가 되도록 준비될 수 있다. 커피박은 건조 챔버의 내부에서 5 내지 25분 동안 건조가 될 수 있다.
건조 챔버의 내부에 가열된 기름에 의하여 수분이 증발되면서 커피박에 포함된 수분에 제거될 수 있다. 수분이 제거된 커피박이 건조 챔버로부터 분리될 수 있다. 예를 들어 커피박이 건조 챔버의 한쪽 방향으로부터 다른 쪽 방향으로 이동될 수 있고, 이동 과정에서 커피박이 건조될 수 있다. 그리고 건조가 커피박은 건조 챔버의 한족 방향에 수직 방향으로 또는 경사지도로 위쪽 방향을 향하여 연장된 배출 스크루를 따라 이동될 수 있다. 배출 스크루를 따라 이동된 기름을 포함하는 커피박으로부터 기름이 분리될 수 있다(P24). 분리된 기름이 회수되어 다시 사용될 수 있고(P25), 건조 챔버에서 커피박의 건조 과정에서 발생된 수증기는 외부로 유도되어 물로 응축되어 배출될 수 있다. 또한 건조 챔버 내부의 압력은 350 내지 600 ㎜Hg가 되도록 유지될 수 있다. 고액 분리에 의하여 회수된 건조 커피박이 수거될 수 있고, 건조 커피박에 대하여 감압 열분해가 진행될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 건조 방법에 해당하는 감압 열분해 과정의 실시 예를 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 감압 열분해를 위하여 커피박이 이송 스크루를 통하여 이송될 수 있고(P31), 이송 스크루의 내부는 예를 들어 100 내지 150 ℃의 온도로 유지될 수 있다. 이송 스크루의 내부에서 커피박이 예열이 될 수 있고, 예열된 커피박이 감압실로 투입될 수 있다(P32). 감압실은 밀폐 구조를 가지면서 압력 조절이 가능한 진공 건조실이 될 수 있고, 20 내지 100 ㎜Hg의 진공 또는 감압 상태로 유지될 수 있다. 감압실에 온도 조절을 위한 히터가 설치될 수 있고, 선택적으로 적외선 방출 수단 및 마이크로웨이브 방출 수단이 배치될 수 있다. 감압실의 내부 압력 및 초기 온도가 예를 들어 100 내지 80 ㎜Hg의 압력 및 200 내지 300 ℃로 설정될 수 있다(P33). 그리고 가열 단계가 설정될 수 있고, 이와 같은 과정이 자동화 과정으로 이루어질 수 있다. 온도 탐지 수단에 의하여 감압실 내부의 온도가 될 수 있고, 예를 들어 10분 동안 1차 건조 단계가 진행될 수 있다. 적외선 및 마이크로웨이브가 방출되면서 이와 함께 감압실의 내부 온도가 400 내지 400 ℃로 상승되어 5분 동안 열분해 건조가 이루어질 수 있다. 건조 과정에서 발생되는 수증기 및 오일이 감압실에 설치된 유도 도관을 통하여 외부로 유도되어 잔여 기름이 회수될 수 있다(P36). 그리고 이와 같이 과정을 통하여 건조 커피박이 만들어질 수 있고(P37), 생성된 건조 커피박은 산업용 연소 원료로 만들어지거나, 바이오차(biocha)로 사용될 수 있지만 이에 제한되지 않고 다양한 용도로 사용될 수 있다.
아래에서 본 발명에 따른 건조 커피박의 제조 방법의 실시 예에 대하여 설명된다.
실시 예
가. 가압 방식으로 커피가 추출되고 남은 커피박 500 g이 입도가 400 ㎛이하가 되도록 분쇄되어 준비되었고, 커피박의 함수율을 62.0 wt%가 되는 것으로 측정되었다.
나. 기름의 온도를 120 ℃로 유지하면서 커피박의 중량에 대하여 2.5배가 되도록 준비되었고, 건조 챔버에서 15분 동안 건조가 된 이후 기름과 분리되어 1차 건조 커피박이 만들어졌다.
다. 1차 건조 커피박이 80 ㎜Hg의 압력 및 250 ℃의 온도로 유지되는 감압 건조실로 투입되어 10분 동안 열분해가 될 수 있고, 이후 50 ㎜Hg의 압력 및 350 ℃의 온도로 유지되면서 5분 동안 열분해가 되어 최종 건조 커피박이 만들어졌다. 열분해 과정에서 적외선 및 마이크로웨이브가 방출되어 온도 조절 과정에서 열을 제공하였다. 최종 건조된 커피박의 함수율은 2 wt%가 되는 것으로 확인되었다.
결과
최종 건조 커피박의 성분이 분석되어 검사되었고, 검사 결과는 중량 비율로 아래와 같다.
59.1 wt% 탄소; 40.1 wt% 산소; 0.3 wt% 마그네슘; 0.2 wt% 규소; 0.1 wt%, 0.1 wt% 황; 0.1 wt% 칼슘; 및 미량의 인, 칼륨
최종 건조 커피박에 대하여 연소 시험이 진행되었고, 6,280 내지 6,300 kcal/kg의 발열량을 나타내어 약 4,300 내지 4,500 kcal/kg의 발열량을 나타내는 목재에 비하여 상대적으로 높은 발열량을 가진다는 것을 보여주었다. 연소 시험 과정에서 CO와 CO2의 발생량이 측정되었고, 350 ℃의 온도에서 CO가 주로 발생되었고, 580 ℃의 온도에서 CO2가 가장 많이 발생되는 것으로 나타났다. 그리고 발생된 CO 및 CO2 양을 측정하였을 때 완전 연소가 되는 것으로 나타났다. 추가로 최종 건조 커피박은 바이오차의 특성을 가진 것으로 나타났고, 활성탄과 유사한 중금속 흡착력을 가지면서 납(Pb)에 대하여 높은 흡착력을 가지는 것으로 나타났다.
시험 결과로부터 알 수 있는 것처럼, 본 발명에 따른 제조 방법에 의하여 제조된 건조 커피박은 펠렛 형태로 만들어져 산업용 연소 소재로 사용될 수 있으면서 중금속 흡착제 또는 토지 개량제로 사용될 수 있다는 것을 알 수 있다. 건조 커피박은 다양한 용도로 사용될 수 있고 제시된 실시 예에 제한되지 않는다.
위에서 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.
P11: 분쇄 및 입도 조절
P12: 유중 열분해
P13: 감압 열분해
P12: 유중 열분해
P13: 감압 열분해
Claims (5)
- 커피박의 건조 방법에 있어서,
수집된 커피박을 분쇄하여 입도 조절을 하는 단계;
입도 조절이 된 커피박을 유중 열분해를 하는 단계; 및
유중 열분해가 된 커피박을 감압 열분해를 시키는 단계를 포함하는 건조 방법. - 청구항 1에 있어서, 유중 열분해의 과정에서 기름과 커피박이 비율은 중량 비율로 커피박: 기름 = 1: 1.2 내지 3.0이 되고, 건조 온도는 90 내지 150 ℃가 되는 것을 특징으로 하는 건조 방법.
- 청구항 1에 있어서, 감압 열분해는 200 내지 400 ℃의 온도에서 단계적으로 진행되는 것을 특징으로 하는 건조 방법.
- 청구항 1에 있어서, 감압 열분해에 의하여 커피박의 함수율은 1 내지 10 wt%가 되는 것을 특징으로 하는 건조 방법.
- 청구항 1에 있어서, 감압 열분해의 과정에서 온도 조절을 위하여 적외선 또는 마이크로웨이브가 조사되는 것을 특징으로 하는 건조 방법.
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