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문제 정의
- 본 연구는 CO2 가스주입에 의한 압출성형공정을 통해 펠릿을 제조하여 재조합 압출성형 팽화 쌀을 제조하기 위한 연구로서 압출성형 가공변수(수분함량, 스크류회전속도 등)와 CO2 가스주입 압력이 압출성형 팽화 펠릿의 팽화도와 조직감에 미치는 영향을 비교 분석하였다.
제안 방법
- CO2 가스는 1/2P 사이에서 주입하였으며 밸브를 이용해 주입량을 조절하였다. CO2 가스주입 압력은 1.4, 2.8, 5.5 MPa로 각각 변화 시켜 주입하였다. 원료 사입부에 수침하여 분쇄한 찹쌀가루(수분함량 38.
- 5, 6, 7에 각각 나타내었다. 압출성형공정 중에 CO? 가스를 1.4, 2.8, 5.5 MPa의 주입압력을 달리하여 주입되는 CO2 가스의 량을 조절하였다. 또한 스크류회전속도를 200 rpm으로 일정하게 하였고, 압출성형 펠릿 시료를 건조한 후 절단한 펠릿의 수분함량은 22.
- 5 kW 전열기를 사용하여 가열하였고 105℃로 일정하게 조절하였다. 사출구 직전의 바렐에 냉각수를 통과시켜 수분에 의한 팽화가 발생하지 않도록 하였다. 원료사입속도는 사입기 스크류회전속도를 20rpm으로 고정하여 원료주입량이 10.
- 5 HP, 사출구직경은 4mm인 원형(circular type)을 사용하였다. 스크류(screw) 배열은 high-shearscrew를 이용하였고 역방향 스크류 배열하여 C0 가스가 원료사입구로 역류하는 것을 방지하였다(Fig. 1). CO2 가스는 1/2P 사이에서 주입하였으며 밸브를 이용해 주입량을 조절하였다.
- 2, 3, 4에 각각 나타내었다. 압출성형 조건은 스크류회전속도 200rpm, 2.8 MPa 압력의 CO2 가스를 주입하여 펠릿을 제조하였다. 수분함량이 18.
- 압출성형 팽화 펠릿의 조직감은 Sun Rheometer(Sun Scientific Co. Ltd. Japan)를 이용하여 측정하였다. 측정조건은 최대 압칙력(maximum force) 10kg, 지지대 이동속도 100mm/min 및 지지대 사이의 거리(distance between supports) 3cm이였다.
- 스크류회전속도는 150, 200, 250rpm으로 각각 변화시켰다. 압출성형 펠릿을 열풍 건조하여 수분을 18.0~29.0%로 조절한 다음 약 4cm 크기로 절단하여 650W의 줄력, 2,450 MHz 주파수 조건의 microwave oven(Sharp Electronics Co., Japan)을 이용하여 압출성형 펠릿을 가열하여 팽화시켰다.
- 압출성형기는 실험용 쌍축 동방향 압출성형기(co-rotating twin screw extruder)로 스크류직경은 31 mm, L/D 비는 22로 조절하였다. 모터 용량 7.
- 5 MPa로 각각 변화 시켜 주입하였다. 원료 사입부에 수침하여 분쇄한 찹쌀가루(수분함량 38.4%)를 수분의 주입 없이 사입하였으며 바렐온도는 0.5 kW 전열기를 사용하여 가열하였고 105℃로 일정하게 조절하였다. 사출구 직전의 바렐에 냉각수를 통과시켜 수분에 의한 팽화가 발생하지 않도록 하였다.
- 자동 수분측정기(MB200, Ohaus Co., USA)를 사용하여 150℃에서 30분간 가열하도록 설정하였으며,시료 펠릿릿 8~10g을 잘게 절단하여 수분함량을 측정하였다.
- 팽화시킨 압출성형 펠릿의 부피는 좁쌀을 이용하는 종자치환법으로 입자부피를 구한 후, 무게를 측정하여 밀도를 계산하였다. 3번의 측정값의 평균값으로 나타내었다.
대상 데이터
- screw extruder)로 스크류직경은 31 mm, L/D 비는 22로 조절하였다. 모터 용량 7.5 HP, 사출구직경은 4mm인 원형(circular type)을 사용하였다. 스크류(screw) 배열은 high-shearscrew를 이용하였고 역방향 스크류 배열하여 C0 가스가 원료사입구로 역류하는 것을 방지하였다(Fig.
- 수분함량 38.4%인 분쇄한 찹쌀가루를 압출성형 원료로 사용하였다.
- 찹쌀(홍성산, 수분함량 13%)을 구입하여 3일간 수침한 후, 롤러밀을 사용하여 입자크기 60mesh 이하로 분쇄하였다. 수분함량 38.
이론/모형
- 측정조건은 최대 압칙력(maximum force) 10kg, 지지대 이동속도 100mm/min 및 지지대 사이의 거리(distance between supports) 3cm이였다. 측정치를 Launay 등(16)이 제시한 아래의 식을 이용하여 겉보기 탄성계수(apparent elastic modulus, Eapp)와 파괴력(rupture strength, FΓ을 구하였다.
성능/효과
- 그러므로 펠릿의 수분함량과 함께 압출성형 공정에서 CO2가스 주입량의 적절한 조합에 펠릿 내부의 균일한 기공의 크기와 분포를 최적화에 의해 팽화 펠릿의 밀도와 조직감을 최적화 할 수 있는 것으로 사료되었다.
- 이것은 펠릿 내부의 균일한 기공의 형성에 낮은 압력으로 압출성형 펠릿의 팽화시 밀도 및 조직감 측정치가 높게 나타난 것으로 사료된다. 또한 5.5 MPa의 높은 압력에서는 겉보기탄성계수 4,812 kPa과 파괴력 111 kPa을 나타내어 균일한 기공의 형성보다는 압력이 높아 불균일한 기공의 형성으로 밀도 및 조직감 측정치가 높게 나타나는 것으로 사료되었다.
- 8 MPa, 스크류회전속도 200rpm으로 제조한 펠릿을 microwave oven에서 팽화 시 밀도와 조직감이 비교적 낮게 나타나는 경향을 보였다. 또한 압출성형기로 제조된 펠릿의 팽화 시 가장 큰 영향 인자는 펠릿의 수분함량과 가스주입압력, 스크류회전속도의 조절에 의해 팽화 및 조직감을 최적화 할 수 있었다.
- 수분함량 20~27%의 압출성형 펠릿을 microwave oven에서 팽화시킬 때, 최적의 기공 형성과 형성된 기공의 수축이 감소되어 밀도, 겉보기 탄성계수 및 파괴력이 낮은 팽화펠릿을 생산할 수 있었다.
- 8 MPa 압력의 CO2 가스를 주입하여 펠릿을 제조하였다. 수분함량이 18.5%와 26.0%인 경우 밀도가 0.16g/mL과 0.24 g/mLS 각각 높게 나타나는 경향을 보였으며 수분함량 20.7~23.4%에서는 0.11~0.13g/mL로 비교적 낮게 나타났다.
- 수분함량이 18.5%와 29.0%의 펠릿을 팽화했을 때 각각 8,667 kPa과 4,132 kPa의 비교적 높은 겉보기탄성계수는 각각 241 kPa과 186 kPa의 비교적 높은 파괴력을 나타내는 경향을 보였다. 수분함량 23.
- 스크류회전속도 200rpm에서 제조된 펠릿을 팽화시켰을 때, 겉보기탄성계수 20,324 kPa과 파괴력 111 kPa로 비교적 낮게 나타났으며 스크류 회전속도 150rpm에서 제조된 펠릿을 팽화시켰을 때 겉보기 탄성계수 39, 218 kPa과 파괴력 275 kPa, 스크류회전속도 250rpm에서 제조된 펠릿을 팽화했을 때 겉보기 탄성계수 24, 115 kPa과 파괴력 184 kPa로 스크류회전속도 200rpm으로 하여 제조한 펠릿을 팽화한 시료보다 높은 경향을 보였다.
- 팝콘과 같은 인스턴트 팽화쌀의 팽화기작 및 개발에 관한 연구는 극히 제한되어 있다. 압출성형 팽화펠릿의 팽화에서 3일 수침 후 분쇄한 찹쌀을 이용하여 수분함량 20~27%, CO2 가스주입압력 2.8 MPa, 스크류회전속도 200rpm으로 제조한 펠릿을 microwave oven에서 팽화 시 밀도와 조직감이 비교적 낮게 나타나는 경향을 보였다. 또한 압출성형기로 제조된 펠릿의 팽화 시 가장 큰 영향 인자는 펠릿의 수분함량과 가스주입압력, 스크류회전속도의 조절에 의해 팽화 및 조직감을 최적화 할 수 있었다.
- 8 MPa의 CO2가스 주입압력, 스크류회전속도 200rpm으로 제조한 압출성형 펠릿을 microwave oven에서 팽화시켰을 때, 비교적 낮은 밀도와 낮은 겉보기 탄성계수 및 파괴력을 보여 형성된 기공에 의한 조직은 부드러운 조직감을 보였다. 압출성형 펠릿을 microwave oven에서 팽화 시 CO2 가스의 주입량과 스크류회전속도 등의 가공변수 조절에 의해 팽화 및 조직감을 최적화 할 수 있었다. 특히 수분함량과 CO2 가스 주입압력이 조직내 기공형성 및 팽화 펠릿의 특성에 큰 영향을 미치는 요소가 되는 것을 알 수 있었다.
- 이상의 결과들에 의하여 수분함량 20~27%, 2.8 MPa의 CO2가스 주입압력, 스크류회전속도 200rpm으로 제조한 압출성형 펠릿을 microwave oven에서 팽화시켰을 때, 비교적 낮은 밀도와 낮은 겉보기 탄성계수 및 파괴력을 보여 형성된 기공에 의한 조직은 부드러운 조직감을 보였다. 압출성형 펠릿을 microwave oven에서 팽화 시 CO2 가스의 주입량과 스크류회전속도 등의 가공변수 조절에 의해 팽화 및 조직감을 최적화 할 수 있었다.
- 압출성형 펠릿을 microwave oven에서 팽화 시 CO2 가스의 주입량과 스크류회전속도 등의 가공변수 조절에 의해 팽화 및 조직감을 최적화 할 수 있었다. 특히 수분함량과 CO2 가스 주입압력이 조직내 기공형성 및 팽화 펠릿의 특성에 큰 영향을 미치는 요소가 되는 것을 알 수 있었다.
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