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추출 공정 및 정의

1. 추출의 정의추출(extraction)이란 고체 또는 액체 형태의 원료중에 함유된 가용성 성분을 용제로 용해하여 분리하는 조작이다. 추출의 종류에는 원료의 상태에 따라 고-액 추출(침출)과 액-액 추출(추출)이 있다.1. 가속 용매 추출(Accelerated Solvent Extraction; ASE):시료의 추출 효과를 높이기 위해 고온, 고압에서 추출하는 방법.?장점- 조작이 간편하고, 추출시간이 짧으며, 용매 사용량이 적다.2. 고체상 추출(Solid Phase Extraction; SPE):기본 원리는 먼저 수용액에서 용질만이 흡착제의 활성자리에 흡착이 되고, 농축되는 과정에서 함께 있던 방해물들을 제거하고, 알맞은 용리액으로 필요한 용질만을 탈착시킴으로써 선택적으로 농축하는 방법이다.?장점- 액?액추출보다 사용이 간편하고, 고비용을 절감할 수 있다. 단위 시간당 시료 처리양이 크다.?단점- 추출하는데 오랜 시간이 소요되며, 시료처리에 이용되는 유기용매의 독성과 가연 성에 의한 방해와 에멀젼의 형성으로 인한 분석상의 장애를 줄 수 있다.3. 고상 미세 섬유 추출(Solid Phase Micro Extraction; SPME):흡착제가 코팅된 섬유에 시료를 농축 및 탈착시켜 분석하는 방법.?장점- 다양한 시료에 적응이 가능하고, 고체상 추출의 막힘과 용매사용을 보완할 수 있으며 단시간에 추출이 가능하다.4. 속시렛 추출(Soxhlet Extraction):고체, 반고체 시료로부터 반휘발성 물질을 유기용매로 추출하는 방법.?원리: 용매 플라스크 위에 추출관, 그 위에 환류 냉각기가 연결된 장치이다. 추출관 속의 원통형 여과지 또는 여과관에 시료를 넣고 플라스크속에 있는 용매를 가열하면, 용매의 증기는 화살표처럼 왼쪽 관을 지나 환류 냉각기에서 응축되어 추출관에 괴어 시료 속의 가용 성분을 녹이고, 괸 액체는 오른쪽 사이펀에 의하여 그 꼭지점에 이르면 전부 용매 플라스크 로 돌아오고, 새로운 용매는 또 추출관에 괸다. 이렇게 새로운 용매로 추출이 반복되고 추출하는 경우, 벤젠에 의한 초산의 용해도는 오히려 물에 의한 초산의 용해도 보다 낮다. 그럼에도 불구하고 벤젠을 사용하여 초산을 추출할 수 있는 것은 벤젠의 초산에 대한 선택도(selectivity) 때문이다. 즉, 벤젠은 물에 비하여 초산을 훨씬 선택적으로 용해시키기 때문에 초산과 물을 분리하는 능력을 갖고 있다.3. 삼각도표 (3성분계의 액-액 평형)온도가 일정한 상태에서 세 성분의 혼합 비율을 쉽게 도식적으로 표시하기 위해 삼각도표를 사용한다. 삼각도표에는 정삼각형 도표와 직각 삼각형 도표가 있는데 보통 간편한 직각 삼각형 도표를 더 많이 사용한다. 삼각형의 세 꼭지점은 순수한 단일 성분을 나타내며 대개 삼각도표(그림 3-2)와 같이 시계 반대 방향으로 추질(A), 추제(S), 원용매 (B)를 나타낸다. 이 경우 변 AB상의 한 점(예, 점 E)은 추질과 원용매가 혼합된 원료(추료)의 조성을 나타내며, 변 AS상의 한 점(예, 점 D)은 추제와 추질의 혼합물의 조성을 표시하며, 수평축 SB상의 한 점(예, 점 F)은 추제와 원용매의 혼합물의 조성을 표시한다. 삼각형 내부의 임의의 점 C는 3성분계 혼합물의 조성 (xA, xB, xS)을 나타낸다. 추질의 중량 분율(xA), 원용매의 중량 분율(xB), 추제의 중량 분율(xS)은 각각 변 SB, AS 및 AB로 부터의 수직거리에 의해 표시되며 그 합은 1이 되므로 그림에서,이다.4. 용해도 곡선(solubility curve)초산(A)과 물(B)의 혼합액에 벤젠(S)을 가해 초산을 추출하는 경우 삼각도표상에 이 3성분계의 액-액 평형(liquid-liquid equilibrium)을 나타내기 위해 다음과 같은 실험을 한다. 우선 초산과 물의 혼합액에 일정량의 벤젠(S1)을 가한 세 성분의 혼합물이 추출상(E1)과 추잔상(R1)으로 상 분리 (phase separation)가 되어 이 두 상이 평형에 도달하였을 때까지 기다려 각 상의 성분의 조성을 측정한다.다음 벤젠의 양을 달리하여(S2) 같은 방법으로 n curve)이라하며 대응선의 자료로 이용된다. 이 분배 곡선은 추질의 농도가 낮은 부분에서 근사적으로 직선 관계가 성립하는데 이것을 분배 법칙이라 하며 다음과 같이 나타낸다.(3-4)x : 추잔상에서 추질의 농도y : 추출상에서 추질의 농도여기서, K를 분배 계수(distribution coefficient)라 하며 추제의 능력을 판별하는 요소이다. 이 분배 법칙은 기체를 액체에 흡수하는 공정에서의 헨리의 법칙과 유사하다. 차이점은 추출에서 분배 법칙은 두 액체사이에서의 용질의 분배를 나타내는 반면 기체의 흡수에서 헨리의 법칙(Henry's law)은 기체와 액체 사이의 용질의 분배라는 점이다.6. 분배곡선의 종류분배곡선은 그림 3-4처럼 y=x 직선의 하부 또는 그림 3-5처럼 y=x 상부에 그려질 수 있다.1. 분배곡선이 y=x 직선 아래쪽에 그려지는 경우초산-벤젠-물의 3성분계의 경우 분배곡선은 y=x 직선의 아래쪽에 그려지는데 이는 추출상(벤젠)에서의 추질(초산)의 농도(y)가 추잔상(물)에서의 추질(초산)의 농도(x)보다 낮기 때문이다. 이 경우 분배계수(K)는 1보다 작은 값을 갖고 대응선의 기울기는 그림 3-4와 같이 시계 반대 방향으로 추질-추제-원용매를 표시하였을때 양(positive)의 값을 갖는다.2. 분배곡선이 y=x 직선 윗쪽에 그려지는 경우비닐 아세테이트-초산-물의 3 성분계의 경우처럼 추출상(물)에서의 추질(초산)의 농도가 추잔상(비닐 아세테이트)에서의 추질(초산)의 농도 보다 클 때이며 이 경우 분배계수(K)는 1보다 큰 값을 갖고 대응선의 기울기는 그림 3-5와 같이 추질-추제-원용매를 시계 반대 방향으로 표시하였을 때 음(negative)의 값을 갖는다.7. 추제의 선택도(selectivity)추제가 가져야 할 가장 중요한 성질은 원료중의 추질을 가능한 많이 용해하되 원용매는 되도록 용해하지 않는 것이다. 이와 같이 추제가 추질과 원용매로 분리하는 능력을 선택도(selectivity)라 한다. 추질(A)에 대한 추제(S)의 (3-11)과 그림 3-3에서 삼각형 R7E7J7의 변의 비 사이의 관계(그림 3-6 참조) 인=를 이용하면 식 (3-3)이 얻을 수 있다.2. 향류 다단 추출 조작(countercurrent multistage extraction)향류 다단 추출에 있어서 추출 액상 및 추잔 액상의 액량과 조성에 관하여 살펴보면 그림 3-6과 같이 input로는 원료 F[㎏/h]를 제1조에, 추제 S[㎏/h]를 최후의 제N단에 공급하여 서로 향류로 보낸다.한편 output로는 최후 추출액이 E1[㎏/h]으로 나오고, 최종 추잔액은 RN[㎏/h]으로 N단을 나온다.전체물질수지(input=output)는이 되고, input과 output의 각 흐름의 합류를 M이라 하면이 된다. 식 (3-13)의 점 M은 그림 8에서 점 F와 점 S의 연결선상의 점임과 동시에 점 RN과 점 E1의 연결선상의 점이다. 다음 각 단의 출입구에 대하여 물질수지를 취하면 1단에 대하여,2단에 대하여,m단에 대하여,N단에 대하여가 된다.위 식에서점 F와 E1, R1과 E2, R2와 E3, ……, Rm과 Em+1, ……, RN과 S를 연결하는 선은 모두 한 점 D를 통하며, 이 점을 조작점(operating point)이라 한다.10. 액-액 추출 장치액체 추출을 원활하게 하기 위해서는 기체흡수나 증류에서처럼 두 상을 잘 접촉시켜 물질전달 속도를 증가시켜야 한다. 그러나 추출은 두 상이 모두 액체이기 때문에 점도가 비교적 크므로 두 상이 기상과 액상인 기체흡수나 증류에 비하여 두 상을 혼합분리하기가 어렵다. 그러므로 외부에서 기계적 에너지를 가해주어 혼합이나 분리를 이루는 경우가 많다. 추출장치에는 회분식과 연속식이 있다.1. 회분식 추출장치(batch type extractor)회분식 추출은 혼합조와 침강조가 한 탱크로 되어 있으며 일반적으로 터어빈이나 프로펠러 교반기를 가진 탱크가 사용된다(그림 3-1 참조). 추료와 추제를 교반조에 넣고 일정시간 심하게 교반한 후 교반기를 정지시켜 중력에 의한 경계층을 연속적으로 물질 전달이 일어나며 각 상의 조성은 탑내를 흐르는 동안 변화된다. 두 상에서의 조성이 평형으로부터 얼마나 떨어져 있는가가 물질전달의 원동력이기 때문에 탑내의 어느 위치에서도 평형은 이루어지지 않는다. 실제 분무탑에서 분산상(액체 방울)들과 연속상의 접촉은 액체 방울이 형성되는 부근에서 가장 효과적인 것으로 보인다. 그러므로 탑을 더 높여도 단수가 증가되지 않는다. 분무 추출탑 장치는 연속상에서 역혼합(back mixing)이 심하게 일어나게 되면 추출효율이 떨어진다.(3) 충전 추출탑(packed extraction tower)분무 추출탑에 링(ring)이나 안장형(saddle)의 충전물을 채우면 액체 방울들이 탑을 통과하는 동안 자주 재분산 되기 때문에 추출 효율을 높일 수 있다. 이들 충전물은 액체 방울들이 결합되고 재형성되는 것을 돕는다. 충전물은 연속상에서 역혼합이 일어나는 것을 감소기키기는 하나 여전히 역혼합이 일어나기 때문에 높은 단수를 얻기 힘들다. 충전 추출탑은 분무 추출탑만큼 간단한 장치이며 큰 비용을 들이지 않고 부식이나 압력손실 문제를 해결할 수 있다. 충전 추출탑의 최대 단점은 고형 물질이 충전물 사이에 모여 편류(channeling)를 일으킨다는 것이다.(4) 다공판탑(perforated plate tower)액체 방울의 생성 소멸이 1회에 그치는 분무탑의 단점을 해결한 것으로 분산상이 다공판의 구멍을 통해 흘러 다음 다공판의 아랫부분(분산상이 비중이 작은 액체의 경우) 또는 윗부분(분산상이 비중이 큰 액체의 경우)에 모이게 된다. 이렇게 모인 분산상의 액체는 다공판에 의해 재분산된다. 이렇게 다공판으로 단을 만들어 놓았기 때문에 역혼합을 감소 시키기에 효과적이다. 방해판 탑의 경우 무거운 액체는 각 방해판의 윗면 상부를 흘러 아래쪽 방해판으로 흘러 내린다. 가벼운 액체는 각 방해판의 아래쪽으로 흘러 귀퉁이에서 무거운 액체상을 뚫고 윗쪽으로 뿌려진다. 방해판탑은 막히거나 부식에 의해 커질 수 있는 작은 구멍이 없다. 따라서.

자연과학| 2009.06.01| 10페이지| 1,500원| 조회(1,088)

식품, 추출, 식품공학, 단위공정, 추출이론, 추출의 정의

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추출의 정의와 이론

1-1 추출의 정의와 이론적 원리1) 추출의 정의:어떤 물질이나 그 물질의 반응 생성물의 용해도가 용매의 종류에 따라 다를 때에 시료 속의 어떤 성분만을 적당한 용매에 녹여 녹지 않는 성분으로부터 분리 정량하는 방법을 추출법(또는 침출법)이라고 한다. 대다수의 무기물질은 유기용매에 잘 녹지 않으므로 무기물과 유기물의 분리에 유기용매를 흔히 쓴다. 고체에서 추출하는 경우를 고-액추출, 액체에서 추출하는 경우를 액-액추출이라 하며, 고-액추출을 침출이라 할 때도 있다. 실험실에서는 각종 분리?정제?분석 등에 이용되고 있는데, 고체에서 추출하는 데는 속시렛 추출기, 액체에서 추출하는 데는 분액 깔때기 등을 사용하며, 용매로는 물?알코올?에테르?석유에테르 ?벤젠?아세트산에틸?클로로포름 등이 사용된다.2) 이론적 원리- 추제의 조건고-액 추출이나 액-액 추출에서 가장 중요한 문제는 추제의 선택이다. 추제가 갖추어야 할 조건으로는 다음과 같은 것들이 있다.- Gibbs의 이론① 선택도(selectivity) 또는 선택성이 커야하고 추질에 대한 용해도가 크고 순 추 잔물 또는 원 용매에 대한 용해도가 작아야 한다.② 분배계수(distribution coefficient)가 커야 한다.③ 화학적으로 안정해야 한다.(화학반응이 일어나지 않는다.)④ 추제의 회수가 용이해야 한다.(비점 및 응고점이 낮으며 부식성과 유독성이 적다.)⑤ 비점 및 응고점이 낮으며 부식성과 유독성이 적고, 물성이 적당한 것. 즉 추질과의비중차가 클수록 좋다. 계면장력이 너무 크지도 작지도 않아야 한다.⑥ f = c-p+2-r-af : 자유도(평행계의 세기 상태를 나타내는데 필요한 독립직인 세기변수의 수, 열역학적 상태 표현)C: 화학종P: 상의 수r : 독립적인 화학반응a: 부수적인 제한 사항- 상접점 (plait point)추질(A)의 농도가 추출상과 추잔상에서 서로 같아지는 점을 상계점(plait point) 또는임계점(critical point)이라 한다.산(A)과 물(B)의 혼합액에 벤젠(S)을 점을 통과하는 대응선이 용해도 곡선과 만나는 두 점으로 나타내어지는 조성을 갖는 두 상으로 나누어진다. 이때 두상의 중량 비율은 지렛대 법칙에 의해 구할 수 있다. 예를 들어 그림 3-3에서 M7에 의해 전체 조성이 표시되는 초산-벤젠-물 3성분계 혼합물은 E7 (추출상)과 R7 (추잔상)으로 분리되는데 추출상의 중량(E)과 추잔상의 중량(R)의 비율은 다음과 같이 구할 수 있다(지레의 법칙).=또는,용해도 곡선 윗쪽(dome형 외부)에 있는 임의의 점에 의해 그 조성이 표시되는 3성분 혼합물은 상분리가 일어나지 않고 전체가 균일한 단일 액상을 형성한다. 따라서 이러한 조성을 갖는 혼합물에는 추출 공정을 이용할 수 없다.추질(A)의 농도가 추출상과 추잔상에서 서로 같아지는 점 P를 상계점(plait point) 또는 임계점(critical point)이라 한다. 상계점에서 대응선의 길이는 0이 되며, 이 상계점을 경계로 추제 성분이 많은 PE쪽(그림 3-3의 용해도 곡선의 좌측)이 추출상(extract)이고 원용매가 많은 곡선 PR쪽(그림 3-3의 용해도 곡선의 우측)이 추잔상(raffinate)이다. 각 대응선이 용해도 곡선과 만나는 두 점(E7, R7등)으로 부터 수평 및 수직선을 그어 만나는 점(J7등)을 연결한 선을 공액선(conjugate line)이라하며, 이 공액선은 용해도 곡선과 상계점에서 교차한다.1-2추출법1) 가속 용매 추출(Accelerated Solvent Extraction; ASE):시료의 추출 효과를 높이기 위해 고온, 고압에서 추출하는 방법.?장점- 조작이 간편하고, 추출시간이 짧으며, 용매 사용량이 적다.2) 고체상 추출(Solid Phase Extraction; SPE):기본 원리는 먼저 수용액에서 용질만이 흡착제의 활성자리에 흡착이 되고, 농축되는 과정에서 함께 있던 방해물들을 제거하고, 알맞은 용리액으로 필요한 용질만을 탈착시킴으로써 선택적으로 농축하는 방법이다.?장점- 액?액추출보다 사용이 간편하고, 고비용을 절감할 수증류 플라스크 속에 남는다.?장점: 고체시료가 계속적으로 깨끗한 용매와 접할 수 있고, 시료 용기의 온도가 실온보다 높으며, 여과가 필요 없다. 가수분해가 필요 없어 시간 절약이 절약되며, 광범위한 시료에 적용할 수 있다.?단점: 시료를 저어 줄 수가 없으며, 추출 시간이 길다. 단백질, 탄수화물의 함량이 많을 때는 부적절하며, 용매의 종류, 추출시간에 따라 결과가 상이하게 나올 수 있다.1-3추출장치추출장치는 회분식으로 조작되거나 연속식으로 조작된다. 일정량의 공급원료 액체는 교반조에서 일정량의 용매와 혼합된 다음 나중에 층이 가라앉아 분리된다. 추출물은 용매에 추출된 용질이 합해진 것이며 추출잔류물은 용질이 제거되고 남은 층이다. 추출물은 추출잔류물보다 가벼울 수도 있고 무거울 수도 있다. 따라서 추출물은 어떤 경우에는 장치 위로부터 나오고 어떤 경우에는 아래로 나온다. 한번이상 접촉을 필요로 하는 경우에는 조작을 반복한다. 그러나 처리할 양이 많고 몇 번의 접촉이 필요할 때에는 연속 유동식을 택하는 것이 경제적이다. 대부분의 추출장치는 잇따른 단 접촉이나 미분접촉을 하는 연속식이다.- 액-액 추출장치액체 추출을 원활하게 하기 위해서는 기체흡수나 증류에서처럼 두 상을 잘 접촉시켜 물질전달 속도를 증가시켜야 한다. 그러나 추출은 두 상이 모두 액체이기 때문에 점도가 비교적 크므로 두 상이 기상과 액상인 기체흡수나 증류에 비하여 두 상을 혼합분리하기가 어렵다. 그러므로 외부에서 기계적 에너지를 가해주어 혼합이나 분리를 이루는 경우가 많다. 추출장치에는 회분식과 연속식이 있다.1. 회분식 추출장치(batch type extractor)회분식 추출은 혼합조와 침강조가 한 탱크로 되어 있으며 일반적으로 터빈이나 프로펠러 교반기를 가진 탱크가 사용된다. 추료와 추제를 교반조에 넣고 일정시간 심하게 교반한 후 교반기를 정지시켜 중력에 의한 경계층을 만들고 탱크측면의 유리 관찰 창을 통해 관측하면서 추잔물을 분리 배출시킨다. 추출조작에서 혼합과 침강에 소요되는 시간은 흔물질전달 효율이 높기 때문에 물질전달 데이터 가 없이 계의 평형 데이터만을 근거로한 평형단 분석법만으로 신뢰성이 높은 장치 설 계가 가능하다. 혼합침강기는 다른 연속 추출장치보다 더 복잡한 편이며 상대적으로 차지하는 공간이 크다.(2) 분무 추출탑(spray extraction tower)가장 간단한 장치이며 분산상이 작은 방울 형태로 연속상에 분무된다. 가벼운 액체가 분산상으로 공급될 때에는 분무 노즐이 탑의 하부에 위치하고 이 때 무거운 액체는 탑 상부에서 탑하부로 연속상으로 흐른다. 이를 반대로 하면 연속적으로 상승하는 가벼운 액체에 탑상부에서 무거운 액체가 분산상으로 낙하한다. 두 상 사이에는 연속적으로 물질 전달이 일어나며 각 상의 조성은 탑내를 흐르는 동안 변화된다. 두 상에서의 조 성이 평형으로부터 얼마나 떨어져 있는가가 물질전달의 원동력이기 때문에 탑내의 어 느 위치에서도 평형은 이루어지지 않는다. 실제 분무탑에서 분산상(액체 방울)들과 연 속상의 접촉은 액체 방울이 형성되는 부근에서 가장 효과적인 것으로 보인다. 그러므 로 탑을 더 높여도 단수가 증가되지 않는다. 분무 추출탑 장치는 연속상에서 역혼합 (back mixing)이 심하게 일어나게 되면 추출효율이 떨어진다.분무탑 ; A, 가벼운 액체를 분배시키는 노즐(3) 충전 추출탑(packed extraction tower)분무 추출탑에 링이나 안장형의 충전물을 채우면 액체 방울들이 탑을 통과하는 동안 자 주 재분산되기 때문에 추출 효율을 높일 수 있다. 이들 충전물은 액체 방울들이 결합되 고 재형성되는 것을 돕는다. 충전물은 연속상에서 역혼합이 일어나는 것을 감소시키기 는 하나 여전히 역혼합이 일어나기 때문에 높은 단수를 얻기 힘들다. 충전 추출탑은 분 무 추출탑만큼 간단한 장치이며 큰 비용을 들이기 않고 부식이나 압력손실 문제를 해결 할 수 있다. 충전 추출탑의 최대 단점은 고형 물질이 충전물 사이에 모여 편류를 일으 킨다는 것이다.(4) 다공판탑(perforated plate tower)액중력을 이용하여 두 액상을 혼합한다. 종류에 따라 터빈이나 중심에 회전축이 있는 교반기로 기계적 에너지를 공급하기도 한다. 교반날개 사이에는 혼합침 강기의 효과를 얻기 위해 칸막이나 무풍지대를 설치한다. 여기 교반 날개 사이는 무 풍구역으로서 상들의 결합과 분리를 촉진시키기 위하여 철망으로 설치되어 있다. 대부 분의 추출은 혼합부분에서 일어나지만 무풍구역에서도 추출될 때가 있어 각 혼합침강 공정의 효율이 100%를 넘을 때도 있다. 각 교반날개 사이의 거리는 1~2ft에며 이것은 짧은 탑내에서 많은 접촉이 일어나도록 한 것이다. 부식성 액체는 내부장치를 침식시키 므로 이 탑에 사용할 수 없다.교반추출탑 : (a) 회전 원판형 장치 (b) York-Scheibel 추출기(6) 맥동탑(pulsed tower)맥동탑에서도 외적수단에 의하여 교반이 이루어진다. 왕복펌프가 작은 진폭의 빠른 운 동을 함으로써 정상적인 흐름을 유지하면서도 전체 내용물을 맥동시킨다. 맥동탑은 보 통의 충전물이나 특수한 체판을 갖는다. 충전탑에서 맥동은 액체를 확산시키고 편류현 상을 없애며 액상사이의 접촉을 활발하게 한다. 체판 맥동탑에서의 체판구멍의 직경은 1.5~3mm로서 비맥동탑에 비해 훨씬 작으며 각단에서 구멍이 차지하는 면적은 단면적 의 6~23%이다. 이러한 탑에는 부식성이 큰 방사성 액체들도 사용이 가능하다. 왕복운 동에 의한 이상적인 맥동은 피스톤이 위로 올라갈 때는 가벼운 액체가 무거운 액체속으 로 확산되며 아래로 내려갈 때는 무거운 액체가 가벼운 액체속으로 주입된다. 이때의 단효율은 70%에 이른다. 그러나 이것은 두 상의 부피가 거의 같고 또한 부피 변화가 거의 없을 때 가능하다(7) 원심추출기(centrifugal extractor)Podbielniak extractor는 무거운 금속통속에 액이 들어오고 나갈 수 있도록 속이 비어 있는 횡축에 나선형의 리본이 감겨져 있다. 이들 액체는 리본과 벽면 사이의 통로를 따 라 서로 반대 방향으로 흐른다. 즉 무거운 액체는 나선형출된다.

자연과학| 2009.06.01| 10페이지| 1,500원| 조회(1,907)

식품, 추출, 식품공학, 단위공정, 추출이론, 추출의 정의

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1. 농축1) 농축농축이란 용액으로부터 용매를 제거하여 용액의 농도를 높여주는 조작이다. 식품공업에서 용매는 일반적으로 물인 경우가 많다. 이 농축 조작은 식품가공과정에서 식품중의 유효물질의 농도가 낮을 때 농도를 높이는 수단으로 사용된다.2) 농축 방법농축방법은 어떻게 용매를 제거하느냐에 따라 증발농축 및 냉동 농축으로 나눌 수 있다. 증발 농축은 수분을 제거하는 점에서 보면 건조와 같으나 최종산물이 고체가 아니고 액체 또는 시럽인 점에서 다르다.3) 농축의 이점농축제품은 상품적 가치가 높을 뿐 아니라 원액에 비하여 부피가 훨씬 줄어들어 저장과 수송에 편리 한 이점이 있으며 수분 햠량이 낮고 수분활성도가 낮다. 따라서 미생물이 쉽게 번식할 수 없는 조건을 갖추게 되어 식품을 장기간 저장할 수 있는 이점이 있다.2. 증발 농축1) 증발 농축의 정의 : 식품을 가열하여 물(용매)를 증발시켜 제거하는 방법2) 증발 농축에 관계되는 현상- 용액의 비점상승일반적으로 증발 농축하는 식품은 수용액이다. 수용액의 비점은 같은 압력에서 물의비점보다 높다. 수용액의 성질은 용질의 종류와 농도에 따라 다르다. 농축이 진행되는동안 계속 변화하는 특성을 가지고 있다.따라서 농축이 진행되면 용액의 농도가 상승하면서 순수한 물보다 높은 온도에서 끓게된다. 이와 같은 높은 비점에서 발생된 증기는 비점상승 온도만큼 과열되어 있기 때문에증발관과 응축기의 열부하를 높여주는 현상을 낳는다.△TB=RTw2(1-Xw)△Hv여기에서 △TB는 비점상승온도, R은 기체상수, Tw는 순수한 물의 비점, Xw는 물의 몰분율, △Hv는 물의 증발잠열이다.농도가 비교적 높지 않은 수용액의 비점상승(BPR)은 다음 식으로 예측할 수 있다.BPR(℃)=0.513m (m : 용질의 몰랄농도)비점 상승을 무시할 수 없는 경우, 비점 T1=Tsat + BPR에 의해 구한다.여기서 Tsat는 증발기 내 압력 P1에 평형상태에 있는 포화 증기압으로 포화수증기표에서압력 P1에 상응하는 온도이다.- 증발기 내 압력증발기 내에 용액의 압력은 액의 중간높이의 압력을 기준으로 한다.- 점도 상승증발 농축이 진행됨에 따라 용액의 농도도 높아지고, 용액의 농도가 높아지면 자연히점도도 높아지게 되는데, 점도가 상승하면 증발 농축기 안에서의 액의 순환에 영향을 미치게 된다. 즉 점도가 상승하면 순환속도가 감소하며, 순환속도가 감소하면 열 전달계수가 감소되어 결과적으로 열전달 속도를 떨어뜨리게 된다. 따라서 점도가 심하게 높아질때는 별도의 강제 순환 장치를 설치하지 않으면 안 된다.- 거품발생식품은 고가 지방산, 알코울, 다당질, 단백질 들을 다량 함유하고 있기 때문에 끓을 때거품이 많이 발생하는데 감압하에서는 더욱 많이 발생한다, 거품이 너무 많이 생기면 증발관 내를 온통 거품으로 가득 체워서 발생증기를 수용할 공간이 없어져 결과적으로 농축을 계속할 수 없게 된다, 또한 감압농축의 경우 진공 펌프로 수증기를 게속 제거하는데수증기 뿐 아니라 거품도 빨려 나간다. 이때 거품은 농축액의 일부이기 때문에 그 손실도크다. 따라서 거품이 많이 발생하는 시료를 농축할 때는 거품을 제거할 수 있는 특별한장치를 설치하거나 소포제를 첨가해 주어야 한다. 소포제로는 실리콘 수지와 실리콘-실리카 현탁액등이 사용되며 적외선 거품감지기를 장착하여 기계적으로 거품을 파괴하는 특수임펠러를 이용하기도 한다.- 관석형성증발기의 가열부는 용액을 가열하는 중요한 부분으로, 총괄 열전달계수가 크도록 설계되어있다. 그러나 오랜 기간 사용하면 가열부 표면에 고형분이 쌓여 딱딱한 층을 형성한다. 이 층을 관석이라고 하는데 관석은 U값을 떨어 뜨려 열전달을 크게 방해한다. 이렇게관석이 생기는 현상을 오염이라고 한다. 유속이 높으면 오염이 적게 생기는 것을 경험으로 알 수 있는데 이것은 속도가 빠른 액체가 가열 표면을 닦아내는 작용을 하기 때문이다. 따라서 관석이 생길만한 원료액에는 강제 순환식 증발기를 사용하는 것이 좋다. 관석이 많이 생기는 액체를 농축할 때는 일정기간 사용한 후에는 증발기의 가열부를 해체하여청소하는 등의 방법을 써서 솥형 농축기, 단관형 농축관, 장관형 농축관 , 판상식 농축장치,4) 단일 효용 증발기단일 효용증발기에서 온도Tf, 고형분의 질량분율이 xf인 원료액이 질량속도F(kg/h)로 증발기에 투입되고 증발기 내의 압력은 P1(kPa), 이 압력에서 용액이 끓는점은 T1 이다. 증발기에서 나가는 농축액은 고형분 질량 분율이 xP, 온도가 T1이고 배출 속도를 P(kg/h)라한다. 비점상승을 무시할 경우 발생되는 증기의 온도는 T1 이다. 증발 농축의 가열 매체로 사용된 스팀은 스팀의 포화온도 TS에서 응축 되면서 응축잠열을 증발관의 관 벽을 통해 증발기 내부의 용액에 전달함으로써 증발이 일어나게 한다.정상상태에서 증발기에 들어온 물질의 양과 나가는 물질의 양이 같으므로 전체 물질과 고형분에 대해 각각 물질 수지를 같이 세울 수 있다.총괄 물질 수지 : F = V +C고형분 수지 : FxF = PxP따라서 원료용액의 투입되는 질량 속도(F; kg.h), 원료용액과 농축액의 고형분 질량 분율(xF, xP,) 이 주어지면 위 식으로부터 발생되는 증기의 질량 속도(V; kg.h)와 농축액의질량속도(P;kg.h)를 구할 수 있다.5) 단일 효용 증발기에 대한 열 수지정상 상태에서 단일 증발관 증발기에 투입되는 열량과 증발기에서 배출되는 열량은 각각다음과 같이 나눌 수 있다.증발기에 투입되는 열량 = 원료용액이 갖고 들어오는 열량 + 투입된 스팀으로부터공급되는 열량증발기에서 배출 되는 열량 = 농축액이 갖고 나가는 열량 + 투입된 스팀이 응축수가되어 갖고나가는 열량 + 증발된 수증기가 갖고 나가는 열량기준 온도를 Tref 로 놓고 투입되는 열량()과 배출 되는 열량()을 각각 식으로 나타내면,qi = FCpf (Tf- Tref) + SHsqo= PCpp(T1-Tref) + Shs + VHv여기서 qi는 증발기에 투입되는 열량, qo는 증발기에서 배출되는 열량, F는 원료용액의투입량, Cpf는 원료용액의 비열, Tf는 원료용액의 투입온도, Tref는 기준온도, S는 포화스팀 투입따라서 기준 온도를 T1이라고높으면 발생되는 수증기의 엔탈피인 Hv는 T1에서 증기상태의 엔탈피 H1에서 물 상태의엔탈피 h1을 뺀 값이다, 즉 Hv = H1 + h1 이 된다.한편, 비점상승을 무시할 수 없는 경우, 발생 증기가 BPR(℃)만큼 과열되었기 때문에이 과열 수증기의 엔탈피(Hsv;kJ/kg)는 과열수증기표(superheated steam table)로 구할수 있으나 다음 식에 의해 계산하는 것이 편리하다.Hsv=Hsat+1.884×BPR여기서 Hsat는 증발기 내 압력 P1에서의 포화수증기의 엔탈피(kJ/kg)이다.에너지 보존의 법칙에 의하여 정상상태에서는 증발기에서 주위로 손실된 열량을 무시하면 증발기에 투입된 열량은 증발기에서 배출된 열량과 같으므로 아래와 같은 식으로 표시할 수 있다.FCPE(TF-TREF)+S(HS-hS)=VHV+PCPP(T1-TREF)만약 투입된 포화 스팀이 증발관 내에서 응축되어 배출될 때 온도가 변하지 않을 경우에는 HS-hS=λS가 되어 열 수지는 다음 식이 된다.FCPE(TF-TREF)+SλS =VHV+PCPP(T1-TREF)여기서 = 투입된 포화 스팀의 온도에서의 증발 잠열(kJ/kg)이다.물론 농축액의 비열을 알고 있을 경우에는 기준온도를 0℃로 정하고 열수지를 세우는것이 보편적이고, 이때는 포화수증기표에 나와 있는 엔탈피를 보정할 필요 없이 그래도사용할 수 있기 때문에 계산이 편리하다.FCPE(TF-0)+SλS =VHV+PCPP(T1-0)위의 물질 수지식에서 발생수증기의 배출량, V를 구한 후 위 식을 잉yd하여 필요한 포화스팀의 투입량 ,S를 구할 수 있다. 한편 포화스팀이 응축되면서 방출된 열이 전부 농축되고 있는 용액에 전달되기 때문에 증발기에서의 열전달 속도는 아래와 같은 식으로표시할 수 있다.q= S(Hs-H1)=UA△T =UA(Ts-T1)여기서 U는 증발관의 총괄 열전달계수 이며 A는 증발기의 열전달면적, Ts는 스팀의온도이므로 위의 식은 투입되는 포화스팀의 양이 구해진 증발기의 열 전달 면적을 구일 효용 증발기가 연결된 다중 효용증발기를 사용하면 스팀은 첫 번째 증발기에만 공급이 되고 각 증발기에서 발생되는 증기는 그 다음에 연결된 증발기에서 가열 매체로 사용되기 때문에 에너지 비용을 절약할 수있는 장점이 있다. 스팀경제성을 향상 시킬 수 있는 세 번째 방법은 증발기에서 배출되는증기를 압축기에서 압축하거나 고압의 스팀과 섞어 증기의 압력을 높여서 증발기의 가열매체로 재활용하는 증기 재 압축 방법이다.- 원료 액체의 예열원료액체에 공급된 열에너지 중 대부분은 원료액체를 수증기로 만드는데 쓰인다. 이때 비점 상승을 무시한다고 가정하면 증발기에서 배출되는 증기의 온도는 증발기 내에 있는 농축 액체의 비점과 같기 때문에 농축 액체와 열전달이 일어날 숭 없다 따라서 증기가 갖고 있는 에너지는 단일 효용 증발기에서는 더 이상 증발에 이용될 수 없다. 그러나증발기에서 나가는 증기를 예열기에 통과 시켜 원료 액체의 온도를 높인 후 증발기에 공급하게 되면 증발기에서 원료액체를 증발시키는데 필요한 스팀의 양을 줄일 수 있다.- 다중 효용증발기증발기를 여러 개 연결하여 제 1 증발기에서 발생한 증기를 다음 증발기의 열원으로공급한다면 증기의 잠열을 유효하게 이용할 수 있다. 이를 위하여 제 2 증발기의 비점이제 1 증발기의 비점보다 낮아야 하므로 제 2 증발기의 압력을 낮게 유지하여 준다.다중효용 방법을 사용하면 스팀의 경제성을 높일 수 있고, 응축기도 제일 마지막 농축에만 필요하게 되어 농축조작을 경제적으로 운용할 수 있다. 그런 일반 적으로 효용수가증가하면 용액과 가열증기의 온도가 낮아져 총괄 전열 계수가 낮아진다. 다중 효용 증발기에서는 전열면적이 큰 데 비하여 증발능력은 단효용 증발기에 비하여 떨어지며, 수증기는 효용수가 클수록 절약된다.- 증기 재압축① 기계적 증기 재 압축증발기에서 나오는 배출 증기를 기계적으로 다시 압축하게 되면 그 증기의 엔탈피를다시 사용할수 있게 된다, 즉, 증기를 다시 압축하여 압력을 높이면 증기의 엔탈피가원래 증발기에 투입되는 스팀의 엔

자연과학| 2009.06.01| 7페이지| 1,500원| 조회(527)

식품, 식품공학, 농축, 농축이론, 식품농축

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식품농축 이론

1. 농축 (Concentration)* 농축의 정의: 용액으로부터 용매를 제거하여 용액의 농도를 높여주는 조작1) 증발 농축(evaporation): 용액을 비점(끓는점)까지 가열하여, 기화에 의하여 용액으로부터 수분을 제거하는 방법① 증발 농축의 목적- 분무건조, 드럼건조, 결정화 등의 조작 전에 예비 농축을 할 필요가 있을 때- 저장, 포장, 수송 등의 결비를 절감하기 위해 액체부피를 줄일 때- 물엿, 오렌지주스에서처럼 가용성 성분의 농도를 높여 저장성을 향상시키고자 할 때② 증발 농축에 영향을 주는 현상- 비점 상승(boiling point elevation)일반적으로 증발 농축하는 식품은 수용액이다. 수용액의 비점은 같은 압력에서 물의비점보다 높다. 수용액의 성질은 용질의 종류와 농도에 따라 다르다. 농축이 진행되는 동안 계속 변화하는 특성을 가지고 있다.따라서 농축이 진행되면 용액의 농도가 상승하면서 순수한 물보다 높은 온도에서 끓게 된다. 이와 같은 높은 비점에서 발생된 증기는 비점상승 온도만큼 과열되어 있기때문에 증발관과 응축기의 열부하를 높여주는 현상을 낳는다.△TB=RTw2(1-Xw)△Hv여기에서 △TB는 비점상승온도, R은 기체상수, Tw는 순수한 물의 비점, Xw는 물의몰분율, △Hv는 물의 증발잠열이다.수용액의 농도와 비점과의 관계는 During의 법칙에 따른다. During 선도는 같은 압력에서 순수하 sdydao의 비점에 대한 각 농도에 따른 용액의 비점을 그린 것이다.비점 상승 현상은 농축액의 온도를 상승시키므로 식품의 열변성을 일으키는 주요한원인이 되기도 한다.- 증발관 내의 압력어떤 액체의 증기압이 외부압력과 같아질 때, 그 액체는 끓게 됨으로 외부 압력에따라 비점이 달라진다. 만일 증발관 내의 압력을 알맞게 조절하면 비점을 조절할수있으며, 외부압력인 대기압보다 낮춘 감압상태에서 가열하면 비점을 낮출 수 있다.가능한 낲은 온도에서 가열하면 식품의 열변성을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 가열매체인 스팀과 수용액의 온도차를 크게 만들키는 것을 진공증발(vacuumevaporation)이라고 한다. 식품 산업에서 사용하는 농축은 대부분 감압농축방법을 이용하고 있다. 수용액의 압력은 증발관 내의 용액 높이에 따라 결정된다. 즉, 증발기의밑부분에 있는 용액의 비점은 액면에서의 비점보다 높다. 용액의 깊이가 증가함에 따라 깊이에 상당하는 정수압만큼 압력이 증가하여 비점이 상승한다. 이로 인하여 수증 기와 용액과의 온도차가 작아지고 용액은 과열될 우려가 있다. 증발기를 설계할 때는 수용액의 압력은 액의 중간부분의 압력을 기준으로 계산한다. 그리고 이와 같은 수용액의 높이에 따른 영향을 줄이기 위하여 박막 증발기를 사용하기도 한다.- 점도의 상승농축이 진행됨에 따라 용액의 농도가 상승하면서 점도(viscosity)가 커지며, 이에 따라 액의 순환속도가 늦어진다. 순환속도가 늦어지면 열전달 속도를 감소시켜 열효율이 떨어지기 때문에 강제 순환 장치를 설치하는 경유가 많다.식품은 유기물을 다량함유하고 있어서 끓일 때 거품이 발생하는 경우가 많고, 감압조건에서는 거품발생이 더 많아진다. 거품이 많이 발생하면 작업용량의 감소는 물론열전달이 늦어지고 작업을 어렵게 한다. 따라서 거품이 많이 발생하는 원료를 농축할경우는 거품을 제거할 수 있는 특별한 장치를 부착한다. 경우에 따라서는 소포제를첨가하기도 한다. 소포체로는 알콜계 ester, 지방산 또는 지방산 유도체, silicones.polypropylene glycol 등이 이용된다.- 관석의 생성증발관의 가열부는 수용액을 가열하는 중요한 부분으로, 보통 총괄전열계수(overallheat transfer coefficient, U)값이 크도록 설계되어 있다. 그러나 수용액이 가열부와오랜 기간 동안 접촉하게 되면 가열표면에 고형분이 쌓여 딱딱한 층을 형성한다. 이층을 관적이라고 한다. 관석은 U 값을 크게 떨어뜨려 열전달을 방해한다. 액의 순환속도가 낮을수록 관석 형성이 잘 일어난다. 증발관은 일정기간 사용한 후에 가열부를 해체하여 관석을 제거해 주어야 한다.- 더불어증발관 밖으로 나가게 된다. 이와 같은 현상을 비말동반(entrainment)이라고 하며, 유용성분의 손실을 초래한다. 대부분 증발관은 비말동반을 방지하기 위하여 액체방울을분리할 수 있는 장애판이나 원심분리식 액체분리장치를 설치한다.③ 증발 농축의 열수지와 물질 수지증발 농축 좆가은 원료용액의 농도변화를 가져온다. 이와 같은 변화는 열에너지 투입에 의해 이루어진다. 증발기에서 열손실을 무시하고 응축되는 수증기에서 방출된 열이전부 농축하는 용액으로 전달되었다고 하면, 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.(응축되는 수증기로부터 방출된 열량)=(원료용액이 얻은 현열)+(발생되는 증기의 잠열) Wsλs = Fcpf(Tb-Ti)+Vλv여기에서 Ws는 수증기실에서 응축되는 수증기의 질량유량, λs는 수증기의 응축잠열,F는 원료액의 질량유량, cpf는 원료액의 비열, Tb는 원료액의 비점, Ti는 원료액의온도, V는 증기의 질량유량, λv는 발생되는 증기의 증발잠열이다.수증기실에서 나가는 응축수는 응축온도에서 배출된다. 열손신이 없다고 가정하였으므로 응축 수증기로부터 방출된 열량은 전부 용액에 전달 될 것이다.따라서q= Ws(Hs-Hc)=Wsλs =UA(Ts-Tb)여기에서 Hs는 수증기의 엔탈피, Hc는 응축수의 엔탈피, Ts는 수증기의 온도이다.총괄 전열계수 U는 보통 1000~3000kcal/m2h℃이며, (Ts-Tb)=△T는 대개의 경우25~30℃ 정도이다.비말동반에 의한 액의 손실을 무시하는 경우, 물질 수지식은 다음과 같다.전체 물질 수지 : F = V +P고형분에 대한 물질 수지 : FXf =PXp여기에서 Xf는 원료 액 중의 고형분에 대한 질량분율, Xp는 농축액 중의 고형분의질량분율 이다.수증기 경제성=V=증발한 수분량Ws증발기에 공급한 수증기량증발장치의 능력은 일반적으루 수증기 경제성(steam economy)으로 표시된다.증발장치의 능력은 열전달 속도에 의존하며, 총괄전열계수가 크면 열전달 면적이감소되고 장치비도 이에 비례하여 감소한다.④ 증발 농축 에는 여러 가지 형태가 있으나 일반적으로 가열부, 액체-기체 분리부, 응축부로 구성되어있다. 대표적인 증발 농축장치의 예를 들면 다음과 같다.- 솥형 농축기솥 또는 팬 형으로 된 가장 간단한 농축기로서 화염으로 직접 가열하는 직화식과 스팀으로 간접가열 하는 스팀재킷식이 있다. 구조가 간단하고 가격이 저렴하기 때문에잼, 젤리, 토마토 농축액, 수프 등을 농축할 때 소규모 회분식 식품가공 공정에 이용된다. 개방형이 많으나, 경우에 따라서는 밀폐형으로 제작하여 증발관 내의 압력을 낮추어 주거나 교반기를 설치하여 농축시간을 단축하도록 제작된 것도 있다. 농축시간이길어 식품의 열변성이 많은 단점이 있다.- 단관형 농축관일반적으로 사용하는 농축기의 대표적인 형태로서 칼란드리아 증발관이라고도 한다.가열부는 짧은 관으로 고정되어 있는 것이 특징이며, 관의 배열이 수직인 것과 수평인 것이 있다. 증발관의 압력을 조절할 수 있도록 밀폐식으로 되어 있다. 원료액의입구, 가열부, 장애판, 발생증기 배출구, 농축제품 배출구로 구성되어 있다. 원료액 입구로부터 들어간 액은 감압상태로 유지된 증발관 내에서 대류작용에 의해 가열부 주위를 순환하게 된다. 원료액이 비점에 이르면 증기가 발생되는데, 이 증기는 배출구를 통하여 쉽게 관을 떠난다. 증발조작이 이루어지는 동안 계속 하여 가열매체로서수증기를 사용하며, 이 때 생기는 응축수는 출구를 통하여 배출된다. 액을 순화시키는 방법에 따라 자연대류형과 강제대류형으로 구분된다.- 장관형 농축관가열관이 긴 것이 특징이며, 가열부가 증발관 밖에 설치되어 있다. 가열부의 길이가길기 때문에 원료액이 가열관을 단 한번을 거쳐 흐르는 동안에 비점까지 가열되어 증발관 속으로 들어가서 곧 증발된다. 액이 얇은 필름상태로 가열파이프 벽을 상승함으로써 열전달이 우수하고, 액 깊이에 따른 비점 상승도 없다. 또한 가열면과 접촉하는시간이 매우 짧아 열에 민감한 용액의 농축에 유리하다. 이 형태의 증발기에는 가열부는 통과하는 방식에 따라 상승막식과 하강막식으로 구분된다하강막식은 위에서밑으로 흘러 들어간다. 가열시간이 보통 5~10초 정도 밖에 걸리지 않기 때문에 단관형 증발관에서처럼 오래 열에 노출되지 않아 열에 약한 우유, 과즙, 젤라틴, 당시럽등을 농축하는데 널리 이용된다.- 판상식 농축장치가열부가 판상식 열교환기 구조로 되어 있으며, 가열부와 증발관이 분리되어 있다.가열부에서 비점까지 가열된 용액은 원심분리식 기체-액체 분리기에서 농축액이 분리되어 제품을 업고 증기는 배출된다. 이 농축기는 액이 판 내를 얇은 필름상태로 고속 이동함으로써 U 값이 크다. 액이 순간적으로 가열되므로 열에 약한 우유, 과즙,맥아즙 등의 농축에 알맞다. 그리고 가열판을 분해하거나 청소하기 쉽다. 열교환기의판수를 변화시킴으로써 증발능력을 쉽게 조절할 수 있으며, 소요면적이 적은 장점이있다. 이와 같은 농축장치 외에도 발포성용액의 농축에 알맞은 기계막식 증발기, 열에 민감한 액을 농축시키기 위하여 원심분리기와 판상 열교환기를 조합한 원심식 증발기, 열에 민감한 액을 저온에서 농축시킬 수 있는 열 펌프식 증발기 등이 사용목적에 따라 이용된다.2) 다중효용 증발기앞에서 설명한 단효용 증발기 에서는 발생한증기를 응축기에서 그대로 응축시켜 증기가가지고 있는 잠열을 버리게 된다. 증발기를 여러 개 연결하여 제 1 증발기에서 발생한 증기를 다음 증발기의 열원으로 공급한다면 증기의 잠열을 유효하게 이용할 수 있다.이를 위하여 제 2 증발기의 비점이 제 1 증발기의 비점보다 낮아야 하므로 제 2증발기의압력을 낮게 유지하여 준다. 이와 같은 원리로증발기를 여러 개 연결한 것을 다중효용 증발기라고 한다. 다중효용 방법을 사용하면 스팀의 경제성을 높일 수 있고, 응축기도 제일마지막 농축에만 필요하게 되어 농축조작을 경제적으로 운용할 수 있다. 그런 일반 적으로효용수가 증가하면 용액과 가열증기의 온도가 낮아져 총괄 전열 계수가 낮아진다. 다중효용증발기에서는 전열면적이 큰 데 비하여 증발능력은 단효용 증발기에 비하여 떨어지며,수증기는 효용수가 클수록 절약된다.3) 동. 용액

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식품, 농축, 증발기, 농축이론

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단위공정 (건조 특성 및 이론)

(1) 식품의 건조1(2) 식품건조의 원리(Principle of drying)1(3) 수분함량(Moisture Content)1(4) 식품의 건조곡선(drying curve)21) 예열기간22) 항률건조기간23) 감률건조기간 제1단계24) 감률건조기간 제2단계2(5)건조곡선에 영향을 주는 요인21) 모세관이동(capillary movement) 기작에 따른 감률건조22) 액체수분의 확산(liquid diffusion) 기작에 따른 감률건조33) 표면확산(surface diffusion) 기작에 따른 감률건조34) 기체확산(gaseous diffusion) 기작에 따른 감률건조3(6) 건조방법31) 자연건조(natural drying)32) 인공건조3(7) 건조속도에 영향을 미치는 요인6(8) 건조에 의한 식품의 변화61) 물리적 변화62) 화학적 변화7(9) 식품건조기81)상자 건조기82)터널 건조기83)컨베이어벨트 건조기94)빈 건조기(bin dryer)95)회전 건조기(rotary dryer)96)유동층건조기(fluidized bed dryer)97)기송식 건조기(pneumatic dryer)108)드럼 건조기(drum dryer)109)분무 건조기(spray dryer)1010)동결 건조기(freeze dryer) 10(1) 식품의 건조식품가공공정 중에서 에너지 이동을 이용하는 것으로는 열이동과 물질이동이 있는데, 열이동이 있으면 반드시 물질이동이 일어나게 되며 그 물질이동 중에서 가장 기본적인 것이 수분이동이다. 식품 수분의 이동현상 중 가장 일반적인 공정이 건조(drying)이다. 따라서 건조란 수분이 있는 물질에 열에너지를 가해서 수분을 증발시켜 건조된 형태의 물질로 전환하는 조작이다. 건조에 의한 식품저장은 과거부터 가장 널리 사용된 방법으로 자연에서 모방한 방법이다. 건조(drying)와 탈수(dehydration)는 혼용하여 사용되지만 엄밀한 의미로 건조는 식품의 가공에 사용되는 용어이고, 탈수는 식품의 저장에 사용되는 용어로서 인공건조의 의부확산이 느리면 내부확산 속도로 결정된다. 식품은 건조에 따라 건조속도가 느려진다. 식품 표면 가까운 곳의 물이 우선 증발하여 표면과 내부와의 사이에 수분 농도차가 생기고 이어서 내부에서 외부로 향하여 물의 확산이 일어나 표면에 도달한 후 증발한다. 그래서 건조가 진행될수록 건조속도는 느려진다. 식품을 건조하는 동안 수분이 제거되는 양은 일정하지 않고, 그림 6과 같은 곡선을 이룬다. 이들 곡선을 식품의 건조곡선(drying curve)이라 한다.식품의 건조과정에서 볼 때 전 건조기간을 편의상 몇 개의 구간으로 구분하는데, 예열 또는 조절기간, 항률건조기간, 임계수분함량, 감률건조기간이라고 한다.1) 예열기간예열기간은 온도는 증가하지만 식품의 수분함량에는 큰 변화가 없다. 일반적으로 건조초기의 식품의 온도는 열풍보다 온도가 낮기 때문에 식품의 표면온도가 열풍과 평형을 이루도록 가온되는 단계로서 증발속도는 약간 증가한다. 표면온도는 마침내 열풍과 평형에 도달하는 부분까지를 예열기간이라고하며 이 부분은 짧기 때문에 건조기간의 계산에서는 무시한다.2) 항률건조기간항률건조기간에 있어서 초기에 고체는 수분함량이 높아 건조표면이 완전히 물의 얇은막으로 덮여 있고 이 물은 비결합수로 Aw는 거의 1.0 이다. 따라서 주어진 조건에서 건조속도는 고체의 영향을 받지 않고 마치 액체층의 표면에서 증발과 같으며, 표면으로의 열전달속도에 좌우된다. 만약 고체가 다공성이면 항률건조기간에 고체표면에서 증발하는 수분은 대부분 내부로부터 공급된다. 표면에서 증발하는 수분만큼 내부로부터 수분이 계속 공급되어 표면이 수박(water film)으로 덮여 있는 동안은 항률건조기간이 계속된다. 이 기간동안의 고체표면온도는 일정하게 유지되며 습구온도와 거의 같다.3) 감률건조기간 제1단계감률건조기간은 표면수분이 전부 제거되고 식품 내부에 있는 수분이 표면으로 이동되면서 건조되는 단계이다. 건조속도가 감소하는 점을 임계수분함량(critical moisture content)이라고 하며 건조시간의 계산태양열, 바람 등을 이용하는 천일건조와 자연의 저온을 이용하는 자연동결건조가 있는데 보통 천일건조를 이용하고 있다. 이것은 특별한 설비나 기술도 필요 없고 건조경비도 싸기 때문이다. 그러나 날씨조건에 크게 좌우되고 장시간 건조해야 하며 건조 중의 먼지, 파리, 해충 등의 피해로 품질이 나빠질 가능성이 많다.① 천일건조(sun drying)천일건조법은 가장 오랜 역사를 가지고 있는 건조방법으로 태양의 복사열로 수분을 증발시키고 표면의 습한 공기를 바람에 의해 제거시키는 방법이다. 특별한 설비가 필요 없고 한꺼번에 많은 양을 처리할 수 있으며 경비가 적게 드는 장점이 있다. 그러나 날씨가 좋지 못하면 작업할 수 없고 비교적 긴 건조시간이 필요하므로 건조 중에 착색, 퇴색, 산화 등의 화학적 변화와 효소에 의한 분해 등이 일어나기 쉽다. 따라서 건조 전에 효소를 불활성화시키기 위하여 데치기(blanching)를 하는 것이 대부분이다. 그리고 직사광선을 피하고 바람이 잘 통하는 그늘에서 말리면 표면경화현상이 억제되고 균일하게 건조되며 변형을 최소화할 수 있다.② 자연동결건조겨울철의 야간 기온 -5℃ 전후, 주간 기온 0℃ 이상인 지역에서만 할 수 있는 건조 방법으로 고?저온도에서 식품을 교대로 처리할 때 야간에는 식품 중의 수분이 얼고 주간에는 녹으면서 수분이 조금씩 증발하면서 탈수된다.2) 인공건조① 분무건조(spray drying)분무건조는 열에 아주 예민한 물질들을 건조할 수 있고 속이 빈 구형입자들을 생산할 수 있다는 이점이 있다. 또 용액, 슬러리(slurry) 또는 엷은 반죽으로부터 한 단계 공정만으로 건조제품을 만들 수 있는 건조방법이다. 분무건조는 액체 또는 슬러리 상태의 피건조식품을 미세한 액체입자로 건조실(180℃ 부근)내에 분무하여 미세 액체입자와 열풍을 접촉시켜 짧은 시간내(1～10초) 건조하는 방법이다. 이때 수분은 액체입자로부터 빨리 기화되어 건조고체의 입자로 남으며 이들은 기체흐름을 통해 분리된다. 액체입자는 항률건조조건에서 대부분 건조되는변이나 지방의 산화를 억제할 수 있다.⑤ 진공건조(vacuum drying)감압하에서는 물의 비등점(bolling point)이 낮아지게 되므로 낮은 온도에서 식품 중의 물을 건조시킬 수 있다. 즉 피건조물을 밀폐 용기에 넣고 알맞게 가온(3～5℃)하면서 감압(30～ 100Torr)하여 건조하는 방법으로 감압건조법이라고도 한다. 진공건조는 품질면과 가격면에서 분무건조와 동결건조의 중간 정도에 해당된다. 진공건조는 건조한 제품은 풍미가 좋고, 물에 용해하기 쉬운 다공질의 과립성 제품이 된다. 단백질의 변성과 지질의 산화 등을 억제할 수 있으나 연속작업이 어렵고 생산비가 많이 든다.⑥ 동결건조(freeze drying)낮은 압력에서 얼음이 액체로 녹는 과정 없이 바로 기체수증기로 승화되는 현상을 이용하여 식품을 건조시키는 방법이다. 식품 내의 수분을 동결시킨 후 수증기로 승화시켜 건조하므로 열에 민감한 액체 또는 고체 식품의 건조에 이용된다. 식품을 동결상태로 유지할 수 있는 냉동시설, 승화열을 공급할 수 있는 가열기, 그리고 감압상태를 유지할 수 있는 감압시설이 필요하며 증발되는 다량의 수분을 응축?제거할 수 있는 기구가 부착되어야 한다. 동결상태에서 승화시켜 수분을 제거하였으므로 얼음이 있던 부분이 다공성 구조가 되며 가벼운 제품이 되고 물에 넣거나 용해하였을 때 복원성이 좋다. 또한 모양과 크기가 동결 전과 같은 상태를 유지하며 비타민과 향기성분의 손실이 적고 열에 의한 단백질 변성, 산화 및 화학반응이 거의 일어나지 않으며 수축현상, 가용성 성분의 이동, 표면경화현상이 일어나지 않아 가장 좋은 건조방법이라고 할 수 있으나 고비용의 여러 장치가 필요하다.⑦ 원적외선건조(infrared ray drying)와 고주파건조(high frequency drying)전자파인 원적외선(50㎛～1㎜)의 복사에너지를 이용하여 건조하는데 원적외선을 식품에 조사 하면 식품의 온도가 올라가 수분이 제거된다. 조사거리는 100～350㎜, 히터 간격은 100～200㎜로 안정성이 있 drying)가압건조는 비교적 수분함량이 적은 식품의 건조에 적합하다. 이것의 원리는 물체 조직 내의 보유 수분을 고압하에서 고온으로 높인 후 갑자기 낮은 압력으로 할 때 물의 순간적인 증발로 인한 조직의 팽창현상 즉, 팽화(explosion puffing)이다. 피건조식품을 높은 압력에 견디는 용기인 압출성형기(extruder)에 넣고 외부에서 가열하여 가압하든가 또는 직접 가압증기를 삽입하여 일정한 온도와 압력이 되었을 때 순간적으로 상압으로 분출시켜 건조와 팽화가 동시에 일어나도록 하는 방법으로서 팽화건조(puff drying)라고도 한다. 이 방법으로 건조한 제품은 팽화하여 다공질이 된다. 가압건조는 수분함량이 많거나 조직이 연한 것은 적용할 수 없다. 제품은 흡습성이 강하므로 저장에 유의해야 한다.⑫ 배건건조(roast drying)배건로의 배건선반에 식품을 두고 장작이나 톱밥 등을 연소하여 복사열과 상승기류를 이용하여 건조한다. 근본적으로 훈연법과 같지만 적외선이나 수증기 등을 사용할 수 있다. 가다랭이류의 건조에 사용한다. 숯불과 적외선을 사용하는 직화식과 수증기나 열수를 사용하는 간접가열식이 있다. 식품에 독특한 향기를 부여할 수 있는 장점이 있지만 온도가 높아 성분의 분해가 심하고 건조로 표면피막경화가 발생할 수 있는 단점이 있다.(7) 건조속도에 영향을 미치는 요인건조속도에 영향을 미치는 요인으로는 온도, 습도, 기압, 공기속도, 공기의 방향 등 외적 조건이 크게 관여하며 식품자체의 크기, 모양, 성질, 성분, 함수율 등 내적 조건이 영향을 미친다.① 공기속도 : 공기의 흐름이 빠르면 빠를수록 어느 한계까지는 표면에서의 수분증발도빨라진다.② 공기온도 : 공기온도가 높을수록 건조속도는 빠르지만 갑자기 너무 고온이 되면 품질의 저하를 가져온다. 공기의 최대습도는 온도와 더불어 급격히 증가하는 것이므로 적은공기로 많은 수분을 제거하려면 허용되는 범위 안에서 온도를 높여야 한다.③ 공기의 방향 : 공기가 식품표면에 평행으로 흐르는 경우 건조속도가 친다.

공학/기술| 2009.06.01| 11페이지| 1,500원| 조회(764)

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