KR102203492B1

KR102203492B1 - 식품 및 화장품용 기능성 성분 추출을 위한 산업용 초음파 시스템

Info

Publication number: KR102203492B1
Application number: KR1020190033162A
Authority: KR
Inventors: 김영언; 김영호; 송경모; 이남혁; 이장호; 임태규; 하수정
Original assignee: 한국식품연구원
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2019-03-22
Publication date: 2021-01-15
Also published as: KR20200066127A

Abstract

본 발명의 초음파 시스템은 각종 기능성 성분 추출을 위한 산업용 초음파 시스템에 관한 것으로서, 원료의 볼륨 또는 추출하고자 하는 기능성 성분의 종류에 따라 맞춤형으로 처리할 수 있어 산업용으로 다양하게 활용 가능한 원통의 순환형 시스템으로, 원료를 수용하기 위한 원료탱크; 상기 원료탱크로부터 원료가 공급될 때 초음파 처리를 하고, 초음파 처리된 원료를 상기 원료탱크로 다시 공급하도록 원료 탱크와 연결된 분리 유닛; 및 상기 분리 유닛에 수용된 원료에 초음파를 발생시키도록 상기 분리 유닛에 연결되는 초음파 발생 유닛을 포함하고, 상기 분리 유닛은 제1 내지 제N 분리 장치를 포함하며, 상기 제1 내지 제N 분리 장치는 차례로 원료가 이동 가능하게 연결되고,상기 제1 및 제N 분리 장치 각각은 상기 원료탱크와 연결되는 것을 특징으로 한다.

Description

식품 및 화장품용 기능성 성분 추출을 위한 산업용 초음파 시스템{Industrial ultrasound system for extracting functional materials for food and cosmetics}

본 발명은 각종 기능성 성분 추출을 위한 산업용 초음파 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 원료의 볼륨 또는 추출하고자 하는 기능성 성분의 종류에 따라 맞춤형으로 처리할 수 있어 산업용으로 다양하게 활용 가능한 원통의 순환형 시스템이다.

초음파는 인간의 가청범위인 16 KHz이상 (20KHz 이상이라고 하기도 함)의 주파수 범위를 말한다. 초음파는 강도에 따라 물질의 구성, 구조 및 물리적인 상태나 flow rate등과 같은 물리화학적인 특성에 대한 정보습득에 이용되는 저 강도 초음파(low intensity ultrasonication)와 유화, cell의 붕괴, 화학 반응 촉진 및 효소활성을 억제시키는데 적용되는 고 강도 초음파(high intensity ultrasonication)로 분류된다. 고 강도 초음파는 최근 제약이나 약제의 합성, 그리고 식품의 가공에 점차 그 영역을 확대하고 있는 추세이며, MHz범위의 저 강도 초음파와는 대조적으로, 물질의 특성을 바꿀 수 있다. 고 강도 초음파는 가열(heating), 공동현상(cavitation effect), 압축과 팽창(compression and rarefaction) 및 난류(turbulence)등의 특성을 가지고 있으며, 이 중 가장 특이한 것은 공동현상이다. 즉, 고 강도 초음파는 주파수에 따라서 액체 내에서 초당 수백에서 수 천 만개의 미세기포(microbubble)를 생성하게 되는데, 이 미세기포들이 생성과 소멸을 반복하면서 높은 난류(turbulent flow)상태를 일으켜 순간적으로 온도를 5,000 K까지 상승시키고, 수천기압 이상의 압력을 발생시킨다. 이와 같은 현상을 이용하여 식품소재로부터 기능성 성분을 추출하는데 일부 활용하고는 있지만 지금까지는 실험실 수준에서 이루어져 있을 뿐 산업화에는 아직 미흡하다.

한편, 원료의 초음파 추출이 이루어지는 분리 유닛이 단일로 구성될 경우, 원료의 처리량에 제한이 있어 대량생산이 어렵고, 저분자의 기능성 성분을 추출하기 어렵다는 문제가 있다.

따라서 본 발명에서는 복수개의 분리 장치를 포함하는 분리 유닛을 통해 기능성 성분을 대량생산할 수 있고, 추출하고자 하는 기능성 성분의 분자량에 따라 분리 장치를 선택적으로 구동할 수 있어 고분자 뿐만 아니라 저분자의 기능성 성분도 추출할 수 있는 초음파 시스템을 제공하고자 한다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 초음파 시스템은, 원료를 수용하기 위한 원료탱크; 상기 원료탱크로부터 원료가 공급될 때 초음파 처리를 하고, 초음파 처리된 원료를 상기 원료탱크로 다시 공급하도록 원료 탱크와 연결된 분리 유닛; 및 상기 분리 유닛에 수용된 원료에 초음파를 발생시키도록 상기 분리 유닛에 연결되는 초음파 발생 유닛을 포함하고, 상기 분리 유닛은 제1 내지 제N 분리 장치를 포함하며, 상기 제1 내지 제N 분리 장치는 차례로 원료가 이동 가능하게 연결되고, 상기 제1 및 제N 분리 장치 각각은 상기 원료탱크와 연결되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 초음파 시스템은 복수개의 분리 장치를 포함하는 분리 유닛을 통해 기능성 성분을 대량생산할 수 있어 산업용으로 유용하다. 또한, 추출하고자 하는 기능성 성분의 분자량에 따라 분리 장치를 선택적으로 구동할 수 있어 고분자 뿐만 아니라 저분자의 기능성 성분도 추출할 수 있다. 또한, 추출수율증대, 유기용매 사용량 절감, 추출시간 단축 및 각종 소재의 기능성 향상을 기대할 수 있다.

도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 초음파 시스템의 개략적인 모식도이다.
도 2는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 초음파 시스템의 일 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 초음파 시스템에서 분리 유닛의 개략적인 도면이다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 초음파 시스템에서 분리 유닛의 상면도이다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 시스템의 사진이다.

이하, 본 문서의 다양한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 실시예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 식품 및 화장품의 기능성 성분을 효율적으로 대량 생산할 수 있는 산업용 초음파 시스템에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 초음파 시스템의 개략적인 사시도이다. 도 2는 본 발명에 따른 초음파 시스템의 일 측면도이다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 초음파 시스템(10)은, 원료탱크(100), 분리 유닛(210, 220, 230, 240), 초음파 발생 유닛(300), 온도조절모듈(400), 순환펌프(500), 및 원료 배출펌프(600), 컨트롤박스(700)를 포함할 수 있다.

원료탱크(100)는 총 2 ton 내지 3 ton의 시료 및 용매를 수용할 수 있다. 원료탱크(100) 내부에는 시료가 균일하게 유지될 수 있도록 대형의 교반기(110)가 장착될 수 있다. 원료탱크(100)의 외벽면에는 온도조절을 위해 냉각수가 순환될 수 있도록 제2 순환로(120)가 구비될 수 있다. 제2 순환로(120)는 온도조절모듈(400)로부터 냉각수를 공급받을 수 있다.

또한, 원료탱크(100) 내에는 시료의 온도를 체크할 수 있도록 온도센서(130)가 구비될 수 있다. 원료탱크(100) 내의 온도는 0 ℃ 내지 90 ℃까지 조절될 수 있다.

분리 유닛(210, 220, 230, 240)은 원료탱크(100)로부터 원료를 공급받아 초음파를 처리할 수 있다. 한편, 원료탱크(100), 교반기(110) 및 분리 유닛(210, 220, 230, 240)의 재질은 식품 및 화장품 소재에 닿아도 안전한 sus316L일 수 있다.

분리 유닛(210, 220, 230, 240)은 1 m 내지 3 m의 높이를 가질 수 있다. 높이가 3 m를 초과할 경우, 초음파 추출 완료 후 청소 작업이 수월치 않으며, 안전에도 문제를 일으킬 수 있다. 분리 유닛(210, 220, 230, 240)의 내부 용적은 약 40 L 일 수 있다. 그러나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니고, 분리 유닛(210, 220, 230, 240)의 내부 용적은 다양하게 구비될 수 있다.

분리 유닛은 제1 분리 장치 내지 제N 분리 장치를 포함할 수 있다. 제1 분리 장치 내지 제N 분리 장치는 차례로 원료가 이동 가능하게 직렬로 연결될 수 있다. 원료탱크(100)로부터 인접한 순서대로 제1 분리 장치, 제2 분리 장치, 제3 분리 장치...제N 분리 장치로 정의할 경우, 원료탱크(100)와 가장 인접한 제1 분리 장치 및 마지막 분리 장치인 제N 분리 장치는 원료탱크(100)와 직접 연결될 수 있다. 한편 실시예가 이에 한정되는 것은 아니고 다수 개의 분리 장치들은 병렬로 연결될 수도 있고, 이 경우 모든 분리 장치들이 원료탱크(100)와 직접 연결될 수도 있다.

제1 내지 제N 분리 장치의 초음파 소자(215)가 각각 개별 제어되도록 초음파 발생 유닛(300)과 연결될 수 있다. 예를 들면, 일 분리 장치 내의 다수 개의 초음파 소자(215) 중 일부만 작동하도록 하여 초음파 출력량을 조절할 수 있다.

또는, 제1 내지 제N 분리 장치는 초음파 처리 시, 각각의 초음파 소자(215)가 동시에 작동하도록 마련될 수 있다. 예를 들면, 초음파 시스템 가동 시, 제1 내지 제N 분리 장치의 초음파 소자를 모두 동시에 작동할 수 있다. 이는 원료의 볼륨이 매우 크거나, 원료가 제1 내지 제N 분리 장치를 다수 번의 사이클로 이동함으로써 초음파 추출이 이루어져야 할 때 적용할 수 있다.

또는, 제1 내지 제N 분리 장치는 초음파 처리 시, 각각의 초음파 소자(215)가 차례로 작동하도록 마련될 수 있다. 예를 들면, 원료가 제1 내지 제N 분리 장치를 차례로 이동할 때, 원료의 이동 위치에 따라 해당 분리 장치의 초음파 소자를 작동하고 나머지 분리 장치의 초음파 소자는 작동하지 않도록 할 수 있다. 이를 통해 불필요한 전력 소모를 줄여 공정 효율성을 높일 수 있다.

또는, 제1 내지 제N 분리 장치는 초음파 처리 시, 각각의 초음파 소자의 출력이 서로 다르게 마련될 수 있다. 예를 들면, 원료가 제1 내지 제N 분리 장치를 차례로 이동할 때, 원료의 이동 위치에 따라 해당 분리 장치의 초음파 소자의 출력을 서로 다르게 할 수 있다. 이는 원료의 볼륨, 원료의 종류 또는 추출하고자 하는 기능성 성분에 따라 다르게 조절할 수 있다.

한편, 도 1에서는 분리 유닛(210, 220, 230, 240)이 제1 분리 장치(210), 제2 분리 장치(220), 제3 분리 장치(230) 및 제4 분리 장치(240)를 포함하여 4개 설치되는 것으로 도시하였으나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 분리 유닛(210, 220, 230, 240)의 수는 시료량에 따라서 1 개 내지 10 개 등 다양한 수로 설치될 수 있다. 분리 장치의 개수는 원료의 볼륨 및 추출하고자 하는 기능성 성분의 분자량에 따라서 달라질 수 있다. 예를 들어 원료의 볼륨이 크거나, 저분자 성분을 다량으로 추출하고자 할 때는 분리 장치 또한 많아질 수 있다. 또는, 적은 볼륨의 원료로부터 고분자 성분을 추출하고자 할 때는 분리장치의 개수는 적어질 수 있다. 그러나 보다 효율적인 것을 추구한다면 분리 장치가 많을수록 유리하며, 본 발명에서는 각각의 분리 장치을 개별적으로 제어할 수 있어 원료의 볼륨, 추출하고자 하는 기능성 성분의 분자량과 관계없이 원하는 성분을 추출할 수 있으므로 보다 다양하게 활용할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에서는 제1 분리 장치(210), 제2 분리 장치(220), 제3 분리 장치(230) 및 제4 분리 장치(240)로 4개를 제작 설치하였다. 단백질류, 폴리페놀류, 다당류를 추출하는데 있어서 분리 유닛(210, 220, 230, 240) 4개만 설치하여도 기존 추출방법과 비교하여 우수한 결과를 나타내었기 때문이다.

한편, 도 3 및 도 4를 참고하여, 분리 유닛(200)에 대해 보다 상세하게 설명한다. 도 3은 분리 유닛(200)의 일 측면도이다. 도 4는 분리 유닛(200)을 상부에서 바라본 일 단면도이다. 도 3 및 도 4를 참고하면, 분리 유닛(200)은 원료 이송 통로(211), 제1 순환로(213), 내부 초음파 소자 보호부(212), 초음파 소자 부착관(214), 초음파 소자(215) 및 외부 초음파 소자 보호부(216)를 포함할 수 있다.

원료 이송 통로(211)은 분리 유닛(200)의 가장 안쪽에 위치할 수 있다. 원료 이송 통로(211)에서는 원료가 초음파 처리되어 기능성 성분이 추출될 수 있다.

제1 순환로(213)는 원료 이송 통로(211) 및 초음파 소자 부착관(214) 사이에 배치될 수 있고, 냉각수 또는 열수가 순환할 수 있다. 제1 순환로(213)를 통해 원료 이송 통로(211) 내의 온도는 0 ℃ 내지 90 ℃까지 조절될 수 있다. 제1 순환로(213)는 냉각수 또는 열수가 제1 내지 제N 분리 장치를 차례로 통과하도록 마련될 수 있다.

상기 초음파 소자 부착관(214)의 외벽에는 초음파 소자(215)가 결합될 수 있다. 초음파 소자(215)는 초음파 발생 유닛(300)의 제어에 따라 일정한 진동을 발생시킴으로써, 원료 이송 통로(211)의 내부로 초음파를 발생시킬 수 있다. 이러한 초음파 소자(215)는 복수 개로 구비될 수 있다. 예를 들면, 분리 유닛(200)의 높이가 2 m일 때, 약 50 내지 200개가 구비될 수 있다. 분리 유닛(200)의 높이에 따라 초음파 소자(215)의 수는 달라질 수 있다. 이때의 전력은 초음파 소자(215)의 수에 따라서 분산되지만, 소요되는 총 에너지는 같다. 예를 들어 총 전력을 6,000W로 하여 초음파 소자(215)에 100% 투입하였을 경우, 초음파 소자(215)의 수가 50개 장착되어 있으면 초음파 소자(215) 당 최대 120 W의 전력이 사용되며, 소자가 200개의 경우 소자 당 30W의 전력이 사용될 수 있다.

초음파 소자(215)들은 상호 간에 초음파의 영향(간섭)을 받지 않도록 2 cm 내지 10 cm의 범위에서 서로 이격되어 부착될 수 있다. 본 실시예에 있어서 초음파 소자(215)에 의해 발생되는 초음파의 주파수는 16 KHz 내지 900 KHz일 수 있다. 초음파 소자(215)에 의해 발생되는 초음파의 주파수에 따라 초음파 발생 유닛(300)도 함께 변할 수 있다. 한편, 기능성 성분의 초음파 추출에 있어서 주파수가 20 KHz가 가장 우수한 것으로 나타났고, 하기 실시예에서는 초음파를 20KHz로 고정하여 실험하였다.

한편, 초음파 소자(215)의 일부가 제1 순환로(213) 안쪽으로 돌출될 수도 있는데, 이를 보호하기 위해 내부 초음파 소자 보호부(212)가 더 배치될 수 있다. 또한, 초음파 소자(215)를 둘러싸면서 외부 초음파 소자 보호부(215)가 배치될 수 있다.

이러한 원료 이송 통로(211), 제1 순환로(213), 내부 초음파 소자 보호부(212), 초음파 소자 부착관(214), 초음파 소자(215) 및 외부 초음파 소자 보호부(216)는 상기 분리 유닛(210, 220, 230, 240) 각각에 배치된다.

다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 초음파 발생 유닛(300)은 다수개의 초음파 발진기를 포함할 수 있다. 실시예에서는, 초음파 발진기를 총 16대로 구비하여, 각 분리 유닛(210, 220, 230, 240) 한개 당 초음파 발진기 4대를 연결하였다. 초음파 발진기의 주파수는 20 KHz로 고정하였으며, 전력량은 발진기 1대당 최대 1,500W로 하였으며, 1 W 내지 1,500 W 까지 조절이 가능하도록 하였다. 따라서 cell 당 발진기 4대가 장착되었으므로 최대 6,000W의 전력량을 공급할 수 있으며, 총 4개의 cell이 장착되어 있으므로 초음파 시스템에 쓰이는 전력량은 최대 2.4KW 이다.

한편, 온도조절모듈(400)은 시료의 초음파 추출시 발생하는 열을 차단할 수 있도록 원료탱크(100) 및 분리 유닛(210, 220, 230, 240)으로 냉각수를 공급할 수 있다. 이때 온도조절모듈(400)은 냉각부일 수 있다. 또는, 온도조절모듈(400)은 온도를 높이기 위해 원료탱크(100) 및 분리 유닛(210, 220, 230, 240)으로 열수를 공급할 수 있다. 이때, 온도조절모듈(400)은 가열부일 수 있다. 또는 온도조절모듈(400)은 냉각수 및 열수 공급을 모두 할 수 있도록 구비될 수 있다. 온도조절모듈(400)는 냉각수 또는 열수가 유입되거나 유출되는 본체(400a), 냉각수 또는 열수의 순환량을 조절할 수 있는 컨트롤러(400b), 본체(400a) 및 제2 순환로(120)를 상호 연결하는 유입관(410a), 제2 순환로(120) 및 제1 순환로(213a)를 상호 연결하는 제1 순환관(410b), 및 제1 순환로(213d) 및 본체(400a)를 상호 연결하는 유출관(410c)을 포함할 수 있다.

본체(400a)는 냉각수 또는 열수를 저장할 수 있다. 컨트롤러(400b)는 초음파 추출 시 발생되는 열을 고려하여 냉각수 또는 열수의 순환량을 조절할 수 있다.

유입관(410a)은 본체(400a)로부터 제2 순환로(120) 상측으로 연장될 수 있다.

제1 순환관(410b)은 제2 순환로(120) 상측으로부터 제1 순환로(213a) 상측으로 연장될 수 있다.

유출관(410c)은 제1 순환로(213d)의 상측으로부터 본체(400a)로 연장될 수 있다.

한편, 도 2에 도시한 바와 같이, 초음파 시스템이 제1 분리 장치(210), 제2 분리 장치(220), 제3 분리 장치(230) 및 제4 분리 장치(240)을 포함하고, 각 분리 장치들은 제1 순환로(213a, 213b, 213c, 213b)들을 구비하며, 각 제1 순환로(213a, 213b, 213c, 213b)들을 연결하는 제2 순환관(410d)들을 포함할 수 있다. 제2 순환관(410d)들은 각 분리 장치(210, 220, 230, 240)들의 상측 또는 하측을 각각 연결할 수 있다.

유입관(410a), 제2 순환로(120), 제1 순환관(410b), 제1 순환로(213a, 213b, 213c, 213b), 제2 순환관(410d) 및 유출관(410c)들을 통해 냉각수 또는 열수를 계속 순환하게 할 수 있어 분리 유닛(210, 220, 230, 240)의 온도를 효율적으로 조절할 수 있다.

한편, 원료탱크(100)로부터 상기 분리 유닛(210, 220, 230, 240)으로 원료를 공급할 수 있도록 원료탱크(100)의 및 분리 유닛(210, 220, 230, 240)을 상호 연결하는 원료 공급관(140a), 및 초음파 처리된 시료를 상기 원료탱크(100) 측으로 배출할 수 있도록 분리 유닛(210, 220, 230, 240) 및 원료탱크(100)를 상호 연결하는 원료 배출관(140b)을 포함할 수 있다. 원료 공급관(140a) 및 원료 배출관(140b)의 직경은 시료의 상태 및 규모에 따라 2 cm 내지 10 cm일 수 있다. 또한, 원료 공급관(140a) 및 원료 배출관(140b)은 식품 및 화장품 소재에 사용이 가능한 재질인 sus316L일 수 있다.

원료 공급관(140a)은 원료탱크(100) 및 첫 번째 처리 장치인 제1 분리 장치(210)를 연결할 수 있다. 예를 들면, 원료 공급관(140a)은 원료탱크(100)의 하측 및 제1 분리 장치(210)의 하측을 연결할 수 있다.

원료 배출관(140b)은 마지막 처리 장치인 제4 분리 장치(240) 및 원료탱크(100)를 연결할 수 있다. 예를 들면, 원료 배출관(140b)은 제4 분리 장치(240)의 상측 및 원료탱크(100)의 상측을 연결할 수 있다.

한편, 원료탱크(100)의 하부에는 순환펌프(500) 및 원료 배출펌프(600)가 구비될 수 있다. 순환펌프(500)는 원료가 원료 공급관(140a) 및 원료 배출관(140b)을 따라 강제로 순환될 수 있도록 원료 공급관(140a)의 연장 경로 상에 배치될 수 있다. 원료 배출펌프(600)는 초음파 처리가 완료된 시료를 원료탱크(100)로부터 배출할 수 있다. 도면에 도시하지 않았으나, 원료탱크(100)의 아래에는 원료배출구 및 여과기가 더 구비될 수 있고, 원료 배출펌프(600)를 통해 초음파 처리가 완료된 시료가 원료배출구를 통해 배출되고, 여과기를 통해 여과될 수 있다.

이러한 순환펌프(500) 및 원료 배출펌프(600)는 각 용량 및 규모에 맞는 마력을 가질 수 있다. 예를 들면, 본 실시예에서는, 순환펌프(500)는 5HP가 설치되고, 원료 배출펌프(600)는 2HP로 설치될 수 있다. 또한 순환펌프(500) 및 원료 배출펌프(600)는 소재에 따라서 종류 및 용량이 바뀔 수 있다.

또한, 컨트롤박스(700)는 초음파 전력공급량, 펌프속도(유속), 교반기 속도, 냉각 온도 및 비상시 안전장치를 한곳에서 조절할 수 있다.

한편, 도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 시스템의 사진이다. 본 발명자들이 구현한 실제 초음파 시스템으로써, Flow cell은 앞서 설명한 분리 유닛(200)에 해당한다.

이하, 초음파 시스템(10)의 작동을 설명한다. 용매(시료에 따라서 달라짐)와 시료를 원료탱크(100) 안에 투입한다. 투입 후 교반기(110)를 가동하여 현탁물을 제조한다. 원료탱크(100) 아래에 있는 밸브를 열고 순환펌프(500)를 가동하여 원료 공급관(140a)을 통하여 제1 분리 장치(210)안으로 들어가도록 한다. 계속해서 제2 분리 장치(220), 제3 분리 장치(230) 및 제4 분리 장치(240)을 통과한 후 원료 배출관(140b)를 통하여 시료는 원료탱크(100) 안으로 들어가게 된다. 이와 같이 순환이 잘 이루어지고 있는 것이 확인되면 초음파 발생 유닛(300)을 작동하여 추출을 시작한다. 초음파 추출시간은 시료에 따라서 달라지며, 단백질, 폴리페놀, 다당류 등을 검토한 결과 5시간 이내에 추출이 완료되는 것을 확인하였다.

추출이 완료되면, 순환펌프(500) 및 초음파 발생 유닛(300)의 작동을 멈추고, 원료 배출펌프(600)를 이용하여 원료탱크(100)아래에 있는 원료배출구와 여과기를 연결시켜 여과할 수 있으며, 시료에 따라서 여과가 여의치 않을 경우에는 연속식 원심분리기와 연결하여 원심분리할 수 있다. 추출물은 농축, 건조를 통하여 농축물, 분말의 형태로 제조할 수 있으며, 건조는 스프레이드라이어(SD), 동결건조기(FD)를 사용할 수 있다.

실험예

본 발명에 따른 산업용 초음파시스템을 이용하여 단백질류 2종, 다당류 2종, 폴리페놀류 3종에 대하여 추출시험을 하였다. 그 결과는 다음 표 1과 같다.

	추출물명	유기/염 용매 사용량		추출시간		추출수율(%)		생리활성
	추출물명	기존	본발명	기존	본발명	기존	본발명
단백질류	US_A1	0.5M	0.05M	3일	3시간	20	46	보수, 탄력
단백질류	US_A2	1M	5mM	4시간	80분	55	92	소화율 증가
다당류	US_B1	0.1M	0	24시간	3시간	20	30	항염증효능 2배 증가
다당류	US_B2	0	0	6시간	3시간	8.7	15	항염증효능 1.5배 증가
폴리페놀류	US_C1	0	0	4시간	4시간	16	43	항산화효능 1.3배 증가
	US_C2	60%	20%	24시간	2시간	9	18	항염증효능 유사
	US_C3	60%	20%	24시간	2시간	42	63	항염증효능 1.8배 증가

상기 표 1을 참고하면, 단백질의 경우 유기용매, 염류 사용량을 대폭 줄일 수 있었고, 추출시간을 대폭 줄이면서도 수율은 대폭 증대시킬 수 있는 것으로 확인되었다. 생리활성에 있어서는 보수력, 탄력성, 미백 등(US-A1)에 효과가 있었으며, 섭취하였을 때 소화율(US-A2)이 증가되는 것이 확인되었다.

다당류의 경우, US-B1은 기존 방법에 있어서는 유기용매를 0.1M을 사용하여 24시간 동안 추출하여도 20%의 수율에 불과하였으나 초음파 시스템을 활용하여 추출하면 유기용매 대신에 물을 사용하여 3시간 동안 추출함으로서 30%의 수율을 얻었다. 따라서 초음파 시스템을 활용함으로서 유기용매와 추출시간을 대폭 줄일 수 있었고 추출수율 또한 대폭 늘릴 수 있었다. 또한 특이할만한 사항으로서 생리활성은 초음파 시스템으로 추출된 추출물의 항염증 효능이 2배 이상 증가하는 것으로 확인되었다. US-B2의 경우에 있어서도 추출시간의 단축 및 추출수율의 증대를 확인하였으며, 생리활성도 증가하는 것으로 확인되었다.

폴리페놀류는, US-C1의 경우 기존방법과 같이 4시간 동안 초음파 추출한 결과 추출수율이 대폭 증가하였고, 생리활성에서는 항산화 효능이 증가하는 것으로 나타났다. US-C2의 경우에 있어서는 기존의 방법과 비교하여 생리활성은 유사하였으나, 유기용매 사용량, 추출시간을 대폭 줄일 수 있었고, 추출수율을 대폭 증대시킬 수 있었다. US-C3의 경우, 유기용매, 추출시간은 대폭 줄일 수 있었고, 추출수율 및 생리활성의 증대를 확인할 수 있었다.

이상의 결과로부터 본 발명의 산업용 초음파 시스템을 활용하여 각각의 생리활성 물질을 추출한 결과 공통적으로 유기용매 및 추출시간의 단축, 추출수율 및 생리활성이 증대되는 것을 확인하였다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

원료를 수용하기 위한 원료탱크;
상기 원료탱크로부터 원료가 공급될 때 초음파 처리를 하고, 초음파 처리된 원료를 상기 원료탱크로 다시 공급하도록 원료 탱크와 연결된 분리 유닛; 및
상기 분리 유닛에 수용된 원료에 초음파를 발생시키도록 상기 분리 유닛에 연결되는 초음파 발생 유닛을 포함하고,
상기 분리 유닛은 제1 내지 제N 분리 장치를 포함하며,
상기 제1 내지 제N 분리 장치는 차례로 원료가 이동 가능하게 연결되고,
상기 제1 및 제N 분리 장치 각각은 상기 원료탱크와 연결되고,
상기 제1 내지 제N 분리 장치의 외면에서 냉각수 또는 열수가 순환하도록 마련된 제1 순환로;,
상기 원료탱크의 외면에서 냉각수 또는 열수가 순환하도록 마련된 제2 순환로를 포함하고,
상기 제2 순환로로부터 상기 제1 순환로 측으로 냉각수 또는 열수가 유입될 수 있도록 상기 제2 순환로로부터 상기 제1 순환로로 연장되는 제1 순환관; 및
상기 분리 장치들의 다수의 제1 순환관들을 연결하는 제2 순환관을 포함하고,
상기 제1 내지 제N 분리 장치는,
원료를 공급받아 초음파 처리하는 원료 이송 통로; 및
상기 원료 이송 통로를 둘러싸며, 다수개의 초음파 소자가 결합되는 초음파 소자 부착관을 포함하고,
상기 초음파 발생 유닛은 다수개의 초음파 발진기를 포함하고,
상기 제1 내지 제N 분리 장치 각각에 초음파 발진기가 연결되고,
상기 초음파 소자 당 사용전력은 상기 제1 내지 제N 분리 장치 각각에 연결되는 초음파 발진기의 전력량, 초음파 발진기의 개수 및 초음파 소자의 개수를 조절하여 제어하는 것을 특징으로 하는 초음파 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1 순환로는 원료 이송 통로 및 초음파 소자 부착관 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 시스템.
제2항에 있어서,
상기 제1 내지 제N 분리 장치는,
상기 초음파 소자와 상기 제1 순환로 사이에 배치되는 내부 초음파 소자 보호부; 및
상기 초음파 소자를 둘러싸는 외부 초음파 소자 보호부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1 내지 제N 분리 장치는, 초음파 소자가 각각 개별 제어되도록 초음파 발생 유닛과 연결된 초음파 시스템.
제2항에 있어서,
상기 제1 내지 제N 분리 장치는 초음파 처리 시, 각각의 초음파 소자가 동시에 작동하도록 마련된 초음파 시스템.
제2항에 있어서,
상기 제1 내지 제N 분리 장치는 초음파 처리 시, 각각의 초음파 소자가 차례로 작동하도록 마련된 초음파 시스템.
제2항에 있어서,
상기 제1 내지 제N 분리 장치는 초음파 처리 시, 각각의 초음파 소자의 출력이 서로 다르게 마련된 초음파 시스템.
제2항에 있어서,
상기 제1 순환로는 제1 내지 제N 분리 장치를 차례로 통과하도록 마련된 초음파 시스템.
제8항에 있어서,
상기 제1 순환로는, 원료탱크를 냉각 또는 가열시키기 위하여, 원료탱크를 경유하도록 마련된 초음파 시스템.
제1항에 있어서,
상기 원료탱크 내부에 배치되는 교반기를 더 포함하는 초음파 시스템.
제1항에 있어서,
상기 원료탱크의 내부에 배치되는 온도센서를 더 포함하는 초음파 시스템.
제1항에 있어서,
상기 초음파 추출 시 온도를 조절할 수 있도록 상기 원료탱크 및 상기 분리 유닛으로 냉각수 또는 열수를 공급하는 온도조절모듈을 더 포함하고,
상기 온도조절모듈은,
본체;
상기 본체로부터 상기 제2 순환로 측으로 냉각수 또는 열수가 유입될 수 있도록 상기 본체로부터 상기 제2 순환로로 연장되는 유입관; 및
상기 제1 순환로부터 상기 본체로 냉각수 또는 열수가 유출될 수 있도록 상기 제1 순환로로부터 상기 본체로 연장되는 유출관을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 시스템.
삭제
제1항에 있어서,
상기 원료탱크로부터 제1 분리 장치로 원료를 공급할 수 있도록 상기 원료탱크 및 제1 분리 장치를 상호 연결하는 원료 공급관; 및
제N 분리 장치에 의하여 초음파 처리된 시료를 상기 원료탱크 측으로 배출할 수 있도록 상기 제N 분리 장치 및 상기 원료탱크를 상호 연결하는 원료 배출관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 시스템.
제14항에 있어서,
상기 원료가 상기 원료 공급관 및 상기 원료 배출관을 따라 강제로 순환될 수 있도록 상기 원료 공급관의 연장 경로 상에 마련되는 순환펌프를 더 포함하는 초음파 시스템.
제1항에 있어서,
상기 원료의 초음파 추출을 완료한 후, 상기 원료를 상기 원료탱크로부터 외부로 배출할 수 있도록 상기 원료탱크의 하부에 배치되는 원료 배출펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 시스템.
제1항에 있어서,
상기 원료탱크로부터 초음파 추출이 완료된 원료가 배출되고, 상기 원료탱크와 연결되는 원료 배출구를 더 포함하고,
상기 원료 배출구는 여과기 및 원심분리기 중 적어도 어느 하나와 연결되는 것을 특징으로 하는 초음파 시스템.
제2항에 있어서,
상기 초음파 소자는 16 KHz 내지 900 KHz의 초음파를 발생시키는 것을 특징으로 하는 초음파 시스템.