KR950005392B1 - 조입자크기의 공급전분을 이용한 저함습도에서의 전분압출방법 - Google Patents

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Description

조입자크기의 공급전분을 이용한 저함습도에서의 전분압출방법

본원 발명은 공급입구에서 정선된 조입자(粗粒子)크기 분포의 전분을 공급하는 저합습도에서의 개선된 전분압출방법에 관한 것이다. 본원 발명의 개선된 전분압출방법에 의하면, 제조속도를 증가시키고, 공정의 안정도를 향상시키며, 완성된 제품의 균일성 및 품질을 더욱 향상시킨다.

전분재료는 각종 필름, 폼(foam), 식품 및 기타 제품을 형성하기 위한 압출공정에 사용되어 왔다. 다양한 압출조작에 사용되는 조건은 제조되는 특정한 제품에 따라 다양하게 될 수 있다. 최근에, 저합습 상태에서의 전분의 압출에 의해 제조된 전분성형제품에 대하여 1991년 7월 30일자의 미합중국 특허 제5,035,930호에 개시되어 있다.

습식 밀(mill) 가공된 전분을 압출하는데 있어서, 전분자체의 작은 입자크기로 인해 공정상의 문제점이 있었다. 즉, 펌프에 의해 압출기로 공급된 물과의 낮은 균질화, 공급영역에서의 전분의 유동화(즉, 클로깅), 낮은 제조속도, 압출기배럴 내측의 "사각(死角)"으로 인한 압출물의 불균일(즉, 압출기 충진시의 불균일)등의 문제점이 야기되었다. 이들 문제점은 특정한 용도에 필요한 총함습도가 전분의 중량을 기준으로 약 25중량% 정도까지 낮아질 때 더욱 심각해 진다.

전분과 수분을 혼합하는데 있어서 압출기술분야에서 공지도니 프리콘디셔너(preconditioner)를 사용하면 덩어리로 뭉쳐진 재료의 입자 크기가 커지지만, 습도가 최소한 25%까지는 입자크기가 증가되지 않으므로, 저합습도에서는 유용하지 않게 된다. 입자크기를 증가시키기 위한 몇가지 다른 기술이 공지되어 있지만, 고합습도의 분말과 부서지기 쉬운 입자를 형성하게 되므로, 저합습도 압출공정에서는 일반적으로 적용되지 않는다. 드럼건조, 신터링 등의 방법은 전분을 겔화 또는 가열시키게 되고, 플래시, 로타리건조 등의 기타 가열 기술은 입자크기가 조절되지 않고 미세분말제품이 얻어지므로 유용하지 않다.

따라서, 공급입구에서 정선된 조입자크기분포의 전분을 공급하는 저합습도에서의 전분의 개선된 압출방법이 필요하다.

본원 발명에 의하면, 공급입구에서 공급되는 전분의 30중량% 이상의 입자크기가 최소한 180미크론 이상인 입자크기분포의 전분의 총합습도가 약 25중량% 이하인 저합습도에서의 전분의 개선된 압출방법을 제공한다.

본원 발명의 일실시예에 있어서, 공급입구에서 압출기로 공급되는 전분은 연속식 벨트건조기를 사용하여 약 25중량% 이하의 저합습도까지 건조시키고, 전분의 30중량% 이상, 바람직하게는 50중량% 이상의 입자크기가 최소한 180미크론 이상인 입자크기분포를 가진다.

본원 발명의 주목적은 저합습도상태의 전분의 압출공정에 대한 성능에 있다. 본 명세서에서 사용되는 총함습도(함수량)의 용어는 공급입구에서 공급되는 전분에 함유된 수분의 양과 압출기에서의 공정중에 전분에 가해지는 물의 양을 합한 것을 의미한다. 본원 발명에서의 저합습도는 전분의 중량을 기준으로 약 25중량%이하를 의미한다. 특히, 압출기에 존재하는 총합습도는 약 5∼25중량%, 바람직하게는 약 8∼21중량%, 더욱 바람직하게는 약 13∼19중량%로 된다.

본원 발명의 압출방법에 사용되는 전분의 공급입구에서의 공급분의 함습도는 전분의 중량을 기준으로 25중량%이하, 더욱 바람직하겐느 15중량% 이하, 그리고 바람직하게는 12중량% 이하, 더욱 바람직하게는 10중량% 이하이다. 공급입구에서 공급되는 전분의 함습도의 바람직한 범위는 전분의 중량을 기준으로 약 5∼12중량%이다. 총합습도를 원하는 정도로 맞추기 위해 압출기에 충분한 물을 가하게 된다.

본원 발명의 압출방법에 사용되는데 필요한 입자크기분포를 가지는 전분공급재료를 얻기 위하여, 본원 발명의 일실시예에서는 정선된 전분재료를 연속식 벨트건조기를 사용하여 건조시킨다. 본 방법에 있어서, 전분재료를 예를 들면 30∼50%의 고체로 이루어지는 슬러리액에 전분재료를 분산시킨후, 펌프에 의해 로타리 전공필터에 공급하여 습윤케이크(예를 들면 함습도 40∼50%)를 형성한다. 이 케이크를 쪼개어 전분덩어리를 형성하고, 이를 드럼에서 꺼내어(중력에 의해 낙하시킴) 가동콘베이어위로 옮긴 후 여기서 건조기 또는 오븐을 통과시켜서 원하는 함습도로 되도록 건조시킨다. 건조후에, 이를 건조기에 방치하고, 중력에 의해 채취통(採取筒)에 낙하시켜서 여기서 더 이송하여 송풍에 의해 저장호퍼로 보낸다. 적당한 함습도와 함께 필요한 조입자(租粒子)크기 분포를 가지는 제품에 연마, 미분쇄(微紛碎) 또는 기타 분해나 밀(mill) 가공단계가 필요없거나 사용되지 않으면 압출기내로 직접 공급하는 것이 용이하다.

로타리 진공필터에서 형성된 전분케이크는 공지된 여러가지 방법에 의해 옮겨질 수 있다. 이러한 기술중 하나로서, 평행한 일련의 단선(單線)이 필터의 전체둘레에서 배출롤과 복귀롤을 지나서 묶여 있는 단선배출을 이용하는 것이 있다. 필터가 회전하면 케이크가 형성되어 단선을 덮는다. 배출위치에서 단선을 드럼의 접선방향면에 두고 천에서 케이크를 들언내다. 단선이 배출롤을 통과할 때 방향을 갑자기 전환하면 케이크가 단선으로부터 분리되어 중력에 의해 낙하한다. 그 후, 단선은 빗살형 정렬기구를 통과하여, 복귀롤에 의해 다시 드럼으로 안내된다.

전분 케이크의 함습도를 감소시키기 위해 본원 발명의 일실시예에서 사용되는 건조기는, 재료가 콘베이어상에서 종방향으로 긴 건조기, 히터 또는 오븐을 통과하는 연속식 벨트 즉 콘베이어 건조기이다. 이것은 열이 예를 들면 스팀코일에 의해 가열되는 고온가스로부터 환류(環流)에 의해 전열되는 다이렉트히트 건조기이다. 건조오븐에 있어서, 재료를 초기에는 예를 들면 약 165℉(73℃)의 낮은 온도에서 가열하고, 약 200∼260℉(93∼127℃)의 약간 높은 온도대역을 통과시킨 후, 약 120℉(49℃)의 냉각대역을 통과시킨다. 본 비파괴기술에 의한 전분의 건조는 오븐을 통과하는 이송속도에 의해서도 제어되며, 이 이송속도는 약 0.5∼2ft/min, 또는 전형적인 산업용 제조에 있어서는 전분재료에 대해 약 2000∼4000lbs/hr. 로 될 수 있다.

전분공급재료의 조입자크기분포는 압출공정에서 바람직한 것으로 밝혀진 바로는, 전분의 최소한 약 30중량% 이상의 입자크기가 180미크론 이상인 것으로서 표준 80메시 스크린(U.S. Sieve Series)을 통과하지 않는 것이며, 바람직하게는 전분의 최소한 약 50중량% 이상의 입자크기가 180미크론 이상인 것이다. 일반적으로, 이는 전분, 또는 전분의 최소한 정선된 부분이 예를 들면 스크류콘베이어 공급장치에 의해 압출기내로 공급될 수 있는 충분한 크기의 것이면 180미크론 이상의 어떤 크기라도 가능하다는 것을 의미한다. 전형적으로, 전분 입자크기는 약 840∼2000미크론(10∼20매시) 정도로 될 수 있다.

본원 발명에 유용한 전분의 개시재료는 천연의 또는 가공된 임의의 전분으로 될 수 있으며, 이러한 전분으로는 옥수수, 감자, 밀, 쌀, 사고(sago), 타피오카(tapioca), 왁시메이즈(waxy maize), 수수, 아밀 로즈 함량이 높은 옥수수 등의 식물에서 추출한 것이 있다. 전분의 공급원으로서 전분분말을 사용할 수도 있다. 또한, 상기 식물들에서 유도된 가공제품으로서, 예를 들면 산 및/또는 열의 가수분해작용에 의해 얻어진 덱스트린, 차아염소산나트륨과 같은 산화제 처리에 의해 얻어진 산화 전분, 효소변환 또는 약산 가수분해에 의해 얻어진 유동성의 희박한 비등 전분, 유도화 및 가교된 전분이 있다.

본원 발명에 사용되는 고아밀로즈전분을 포함하는 이들 전분은 천연 또는 변성(變性)된 것으로 될 수 있으며, 본 명세서에서 사용되는 용어는 이들 두가지 형태를 모두 포함하는 것이다. 변성이라는 의미는 전분이 공지의 일반적인 공정, 예를 들면 에스테르화, 에테르화, 산화, 산가수분해, 가교 및 효소변환에 의해 유도화 또는 변성될 수 있는 것을 의미한다. 전형적으로, 변성된 전분으로는 아세테이트, 디카르본산의 반(半)에스테르, 특히 알케닐숙신산 등의 에스테르와, 히드록시에틸 및 히드록시프로필 전분, 혐수성 양성에 폭사이드와 반응한 전분 등의 에테르와, 치아염소산염으로 산화된 전분과, 산화염화인, 에피클로로히드린, 오르소인산 또는 트리폴리인산 나트륨 또는 칼륨과 그 조합물과의 반응에 의해 얻어진 인산염 유도체가 있다. 이들 및 기타 전분의 통상의 변성에 대하여, 문헌("Starch : Chemistry and Technology", 제2판, Roy L. Whistler등, 제10장 및 "Starch Derivations : Production and Uses", M. W. Rutenbergemd, Academic Press, Inc., 1984)에 개시되어 있다.

바람직한 일실시예에 있어서, 전분재료는 고아밀로즈 전분으로서, 즉 아밀로즈의 함량이 최소한 40중량%이상, 더욱 바람직하게는 최소한 65중량% 이상인 것이다.

본원 발명에 사용되는 고아밀로즈 전분의 특히 유익한 변성으로서는 알킬렌 산화물과 에스테르화하는 것이며, 이들은 특히 2∼6, 바람직하게는 2∼4의 탄소원자를 함유한다. 산화에틸렌, 산화프로필렌 및 산화부틸렌은 전분 개시재룔를 에테르화한는데 유용한 대표적인 화합물이며, 특히 산화프로필렌이 바람직하다. 이들 화합물의 사용량은 원하는 특성 및 경제성에 따라서 변화시킨다. 일반적으로, 전분의 중량을 기준으로 15중량% 이상까지 사용되고, 바람직하게는 10중량%까지 사용된다. 이와 같은 방법으로 변성되어 압출된 전분은 향상된 팽윤, 균일성 및 탄성을 나타냈다.

전분개시재료에 첨가화합물을 혼합 또는 결합하여, 강도, 가요성, 내수성(耐水性), 탄성, 인화지연성, 밀도, 색상 등의 특성을 향상시키는 동시에, 필요에 따라 곤충 및 설치류에 대한 저항성을 제공한다. 폴리비닐 알콜, 모노글리세라이드 및 폴리(에틸렌비닐 아세테이트)등의 화합물은 사용가능한 전형적인 첨가제이다. 인화지연제에 대하여는 사용가능한 공지된 많은 화합물 및 화합물족이 있으며, 인산나트륨, 트리인산나트륨 및 인산암모늄 등의 인함유화물과, 황산암모늄 및 암모늄설파메이트 등의 황함유화합물을 포함한다.

내수성은 특히 유요한 것으로 밝혀진 것중 하나인 스티렌 아크릴레이트수지를 첨가제로 사용하여 향상시킬 수 있다. 밀도와 탄성 및 가요성은 폴리비닐알콜, 폴리비닐 아세테이트, 폴리우레탄, 폴리스티렌, 폴리(에틸렌비닐 아세테이트) 및 폴리비닐 피롤리돈 등의 합성물질을 결합시킴으로써 향상시킬 수 있다. 이들 첨가제는, 전분의 압출과 팽윤된 제품의 총괄특성이 적합하게 된다면 원하는 특성을 효과적으로 만족시키는 임의의 양으로 사용될 수 있다. 전형적으로, 상기와 같은 첨가제는 약 50중량%까지, 바람직하게는 약 10중량%까지 사용될 수 있다. 첨가화합물은 사용되는 특정의 재료 및 조건에 따라 전분의 건조 전 또는 후에 첨가될 수 있다.

건조전에 전분공급분에 첨가도리 수 있는 다른 첨가제로서 소량의 미리 겔화된 전분을 사용할 수 있다. 이 첨가재료는 건조시 결합제로 작용하며, 전분의 입자크기를 유지시키고, 파괴 또는 송풍에 의한 분리를 방지한다. 필요에 따라 약 5중량%까지, 바람직하게는 약 2∼3%까지 선택적으로 사용될 수 있다.

본원 명세서에서 기술한 바와 같은 방법에 따라 준비된 조입자크기를 가지는 전분재료는 다양한 압출공정에 유용하다. 압출은 플라스틱 및 전분재료를 처리하는 많은 응용분야에서 사용되는 종래의 공지된 기술이다. 전분압출은 필름, 폼(foam)상의 제품, 식품 및 제과류, 겔화된 전분, 특히 최근에는 1991년 7월 30ㅇ리자의 미합중국 특허 제5,035,930호, 1991년 8월 27일자의 미합중국 특허 제5,043,196호에 개시되어 있는 바와 같은 미생물로 분해되는 성형제품등의 제품생산에 이용된다.

본원 발명에 따른 압출은 총함습도가 전분의 중량을 기준으로 25중량% 이하인 정선된 조입자 전분재료를 포함하게 된다. 압출기내의 온도는 특정한 재료 및 용도에 따라 다양하게 될 수 있으며, 예를 들면 약 50∼300℃의 범위로 될 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 밀도가 낮고 우수한 탄성 및 압축가능성을 갖춘 일정한 밀집셀구조를 가지는 평윤된, 미생물로 분해되는 전분제품을 총함습도가 21중량% 이하, 온도가 약 150∼250℃에서 전분이 최소한 40중량% 이상 바람직하게는 최소한 65중량% 이상의 아밀로즈를 함유하는 고아밀로즈 전분의 압출에 의해 얻는다.

압출공정을 행하는데 사용되는 장치는 임의의 스크류형 압출기로 될 수 있다. 단스크류압출기 쌍스크류 압출기를 모두 사용할 수 있지만, 쌍스크류압출기를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 압출기는 전형적으로 일단에 장착되는 주입구가 형성된 원통형 수평 배럴과 배출단에 장착되는 성형 다이에서 회전하는 나사를 구비하고 있다. 쌍스크류가 사용되는 경우에는 동시회전이 가능하고, 또한 상호 맞물리거나 맞물리지 않게 될 수 있다. 각 나사에는 나선형 홈 즉 나사부가 형성되고, 전형적으로 비교적 깊은 공급부와 이에 연속되는 테이퍼가공된 전이부와 비교적 일정하게 낮은 깊이측정부를 가진다. 이들 나사는 모터로 구동되며, 일반적으로 실린더 또는 배럴에 적당히 고정되어 재료가 압출기를 통과할 때 재료의 혼합, 가열 및 전단(剪斷)을 가능하게 한다.

압출기 배럴의 길이에 따른 온도의 제어는 중요한 것으로서, 나사의 길이에 따른 영역별로 제어된다. 열교환 수단으로서는 전형적으로는 채널, 챔버 또는 배럴벽에 형성된 개공 등의 통로로서 오일등의 가열된 매체를 순환시키는 것이나, 또는 캘로드(calrod)나 코일형 히터 등의 전기히터를 주로 사용한다. 또한, 열교환수단은 스크류장치의 축내에 또는 그 축에 따라 위치시킬 수 있다.

압출기에 사용되는 소자들은 필요에 따라 이 기술분야에서의 종래의 실제 설계에 따라서 변형시킬 수 있다. 압출 및 전형적인 설계 변형에 대한 보다 상세한 설명은 문헌("Encyclopedia of Ploymer Science and Engineering"제6권, 1986년, 571∼631페이지)에서 알수 있다.

다음에, 본원 발명에 대하여 실시예에 따라 더욱 상세히 설명한다. 여기서, 특기하지 않는 한 모든 부(部) 및 퍼센트는 중량에 의한 것이며, 모든 온도는 섭씨 온도이다.

예1

산화프로필렌(5%)으로 히드록시프로필레이트화 함으로써 변성된 70% 아밀로즈의 고아밀로즈 옥수수전분으로 이루어지는 전분슬러리액(35%고체)에 2.0∼2.5%의 미리 겔화된 옥수수전분을 가하고, 옥수수전분이 분산될 때까지 혼합하였다. 그 후, 로타리진공필터배드(Komline-Sanderson사 제)에 펌프에 의해 슬러리를 곧급하고, 여기에서 드럼상에 0.5인치 필터케이크를 형성한 후, 드럼에 부착되어 있는 단선을 드럼으로 부터 잡아당김으로써 이 케이크를 분리하였다. 드럼을 약 0.75회전시킨 후, 전분을 전분덩어리(약 40% 함습도) 형태로 분리하고, 이것을 가동되고 있는 콘베이어에 옮겨서 벨트 건조기(Proctor & Schwartz SCF 싱글 콘베이어 건조기)에 통과시켰다. 전분을 0.5∼2ft/min(2000∼40000 lbs/hr)의 속도로 이송하고, 건조기에서는 공기순환 및 스팀코일에 의해 165∼260℉로 가열하였다. 건조기의 단부에서 전분은 냉각부를 통과시켜 역 120℉까지 냉각시켰다. 전분덩어리를 약 8% 습도까지 건조시키고, 건조기에 방치한 후, 단선캐처를 통과시키고, 송풍에 의해 저장호퍼에 넣었다. 이와 같이 건조된 전분을 압출기에서 다시 처리할 준비가 된 상태에서 입자크기 분포는 다음과 같다.

[표 1]

예 2

대조용으로서, 위와 같은 전분샘플을 플래시 및 로타리건조에 의해 건조시켜서 함습도를 약 6∼8%까지 되도록 한 상태에서 입자크기 분포는 다음과 같았다.

[표 2]

예 3

또 다른 대조용으로서, 본원 발명에 따라 압출처리에서 얻어진 전분을 사용하는 이점을 밝히기 위하여, 입자크기가 80메시이상인 예 1에서 제조한 전분 샘플을 그 양을 변화시켜서 준비한 것과 , 예 2에서의 플래시 및 로타리건조에 의해 얻어진 샘플을, 각 함습도를 약 6∼8%로 동일하게 하여, 다음의 조건하에서 압출기에서 다시 처리하였다.

압출기는 L/D=15인 APV 50mm 쌍스크류압출기이고, 스크류속도는 400rpm, 다이홀(die hole)은 2∼4mm, 압출기에서의 각 대역에서의 배럴온도는 150/200/350/350/350℉로 하여 전분샘플을 다음의 조건에 따라 처리하여, 다음의 결과를 얻었다.

[표 3]

이들 예로부터, 조입자크기를 가지는 전분을 사용하여 저함습도하에서 압출을 행한 경우 (1A,1B,1C)의 압출처리조건이 소입자크기의 경우(2A,2B)보다 더 유리하다는 것을 알았다. 이는 생산속도가 75∼90lbs/hr인 것에 비교하여 200∼300lbs/hr로 증가되고, 또한 다이압력(이는 충진능력을 나타냄)과 토크의 일관성(낮은 가변성)에 의해 확인된다.

Claims (10)

1. 팽윤된 제품을 얻기 위해, 전분의 중량을 기준으로 총함습도가 25중량% 이하인 전분을 압출하는 방법에 있어서, 전분의 30중량% 이상이 최소한 180미크론 이상의 입자크기를 갖는 입자크기분포의 전분을 압출기에 공급하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전분압출방법.
2. 제1항에 있어서, 전분의 50중량% 이상이 입자크기가 최소한 180미크론 이상인 것을 특징으로 하는 전분압출방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 압출기에 공급되는 전분은 함습도가 약 15중량%이하인 것을 특징으로 하는 전분압출방법.
4. 제3항에 있어서, 전분은 최소한 40중량% 이상의 아밀로즈를 함유하는 전분인 것을 특징으로 하는 전분압출방법.
5. 제4항에 있어서, 압출기에서의 전분의 총함습도는 21중량% 이하인 것을 특징으로 하는 전분압출방법.
6. 제1항에 있어서, 압출기에 공급되는 전분은 연속식 벨트건조기에서 건조된 전분슬러리액인 것을 특징으로 하는 전분압출방법.
7. 제6항에 있어서, 전분의 50중량% 이상이 입자크기가 최소한 180미크론 이상인 것을 특징을 하는 전분압출방법.
8. 제6항 또는 7항에 있어서, 압출기에 공급되는 전분은 함습도가 약 15중량% 이하이고, 최소한 40중량% 이상의 아밀로즈를 함유하는 것을 특징으로 하는 전분압출방법.
9. 제1항에 있어서, 압출기내의 전분의 총함습도는 약 5∼25중량%이고, 압출기에 공급되는 전분은 수분함량이 약 5∼12중량%인 것을 특징으로 하는 전분압출방법.
10. 제9항에 있어서, 압출기에 공급되는 전분은 연속식 벨트건조기에서 건조된 전분슬러리액인 것을 특징으로 하는 전분압출방법.