[논문]식물 씨앗의 착유과정에 있어서 초음파의 적용

김정순; 이희욱; 김무준; 하강렬

doi:10.7776/ask.2010.29.2.091

문제 정의

본 연구에서는 식물의 씨앗에서의 착유기술에 있어서 초음파에 의한 영향을 검토하기 위해 시험용 착유기를 제작하고 이를 이용하여 초음파에 의한 착유 효율의 증가를 정량적으로 조사하였다. 0.
본 연구에서는 식물의 씨앗에서의 착유기술에 있어서 초음파에 의한 영향을 검토하기 위해 시험용 착유기를 제작하고 이를 이용하여 초음파에 의한 착유 효율의 증가를 정량적으로 조사하였다. 0.
가열하지 않은 씨앗에 대하여 분쇄 및 단순 압출식 착유방법으로는 섬유질에 포함된 수분과 점성에 의해 내부의 액즙 및 유액이 용이하게 추출되기 어려워 착유효율이 매우 떨어지게 된다. 본 연구에서는 이러한 비가열식 압출방법의 한계를 개선하기 위하여 초음파를 이용한 부가 에너지의 적용가능성을 실험적으로 조사하였다.
가열하지 않은 씨앗에 대하여 분쇄 및 단순 압출식 착유방법으로는 섬유질에 포함된 수분과 점성에 의해 내부의 액즙 및 유액이 용이하게 추출되기 어려워 착유효율이 매우 떨어지게 된다. 본 연구에서는 이러한 비가열식 압출방법의 한계를 개선하기 위하여 초음파를 이용한 부가 에너지의 적용가능성을 실험적으로 조사하였다.
본 연구에서는 일차 단순 분쇄된 들깨시료를 이용하여 착유시 초음파의 영향을 정량적으로 평가하였다. 초음파 트랜스듀서의 공진주파수는 29.
본 연구에서는 일차 단순 분쇄된 들깨시료를 이용하여 착유시 초음파의 영향을 정량적으로 평가하였다. 초음파 트랜스듀서의 공진주파수는 29.

제안 방법

본 연구에서는 식물의 씨앗에서의 착유기술에 있어서 초음파에 의한 영향을 검토하기 위해 시험용 착유기를 제작하고 이를 이용하여 초음파에 의한 착유 효율의 증가를 정량적으로 조사하였다. 0.196 MPa의 진동압력 진폭을 갖는 란쥬반형 초음파 트랜스듀서를 착유기에 부착하여 그 효과를 검토하였다. 이때 착유기 만에 의한 기계적 압력은 약 6.
0.196 皿의 진동압력 진폭을 갖는 란쥬반형 초음파 트랜스듀서를 착유기에 부착하여 그 효과를 검토하였다.
그림 6의 결과를 보면 토크렌치에 의해 가해준 회전력의 변화에 따라 휘스톤브리지의 전류는 선형적으로 증가함을 나타내고 있으며 이는 회전력에 의한 압력센서부의 스트레인 게이지의 변형도 증가함을 알 수 있다. 그리고 전류변화와 직접적인 압력변화와의 상관관계를 알아보기 위하여 압력계를 이용하여 압력의 변화에 따른 변형의 변화를 측정하였다. 앞서 설명한 변형-압력 변환기를 압력계에 장착하고 압력을 가해가며 휘스톤브리지의 전류변화를 측정하였다.
이렇게 만든 압력센서를 그림 4에 나타낸 휘스톤브리지 회로에 연결하였다. 또한 압력에 의한 스트레인 게이지의 굴곡변위를 생성시키기 위하여 속이 빈 알루미늄 원통 위에 압력센서를 놓고 중앙부가 돌출되어 있는 덮개를 올려놓아 상부에서의 수직 압력을 압력센서의 굴곡변형으로 바꾸어 주게 한다. 이와 같은 압력센서, 알루미늄원통 그리고 돌출부가 있는 덮개를 하나의 조합으로 변형-압력변환기라 부르기로 한다.
이렇게 만든 압력센서를 그림 4에 나타낸 휘스톤브리지 회로에 연결하였다. 또한 압력에 의한 스트레인 게이지의 굴곡변위를 생성시키기 위하여 속이 빈 알루미늄 원통 위에 압력센서를 놓고 중앙부가 돌출되어 있는 덮개를 올려놓아 상부에서의 수직 압력을 압력센서의 굴곡변형으로 바꾸어 주게 한다. 이와 같은 압력센서, 알루미늄원통 그리고 돌출부가 있는 덮개를 하나의 조합으로 변형-압력변환기라 부르기로 한다.
착유기의 착유과정에서 초음파 트랜스듀서에 의한 부가 압력을 산출하기 위하여 레이저 도플러 진동속도 측정기를 사용하여 트랜스듀서 방사면의 진동진폭을 측정한다. 레이저도플러진동속도계 (Graphtec AT350)의 레이저 유닛과 초음파 트랜스듀서의 방사 면과의 거리가 약 0.5 m가 되도록 설치하고 착유시의 가진 조건과 동일하게 신호발생기 (Function generator 33220A, Agilent)의 진동수 및 파형의 진폭 그리고 증폭기 (High speed bipolar amplifier HSA4014, nf corporation)의 증폭률을 설정한다. 초음파 트랜스듀서에 인가하는 전압 및 전류가 각각 70 Vrms, 100 mA 이며 주파수가 29.
본 연구에서는 스트레인 게이지 (Strain gauge)를 사용하여 회전력에 의한 압력을 정량화 하였다 [5]. 120 Ω의 스트레인 게이지소자를 두께 3.
그리고 전류변화와 직접적인 압력변화와의 상관관계를 알아보기 위하여 압력계를 이용하여 압력의 변화에 따른 변형의 변화를 측정하였다. 앞서 설명한 변형-압력 변환기를 압력계에 장착하고 압력을 가해가며 휘스톤브리지의 전류변화를 측정하였다. 이 때 앞서 착유기의 회전력 변화에 따른 전류변화를 기준으로 동일한 전류변화가 나타나도록 하는 압력 변화를 찾는다.
측정방법으로는 동일한 질량의 시료를 장착하고 토크렌치를 이용하여 착유기에 10 Nm의 회전력을 가하여 착유된 효율을 측정한다 여기에 초음파를 가하면 부가 착유가 진행되어 10 Nm의 회전력을 가하기 위해서는 다시 토크렌치를 회전하여 피스톤을 진행시켜 주어야 한다. 이러한 과정을 매 1분마다 반복하여 초음파의 조사시간에 따른 잔여 시료의 질량을 측정하여 효율을 산출하였다. 그림 11의 결과를 보면 초음파를 가하지 않은 경우로부터 초음파를 가하는 시간이 증가함에 따라 대수적인 증가를 보이고 있으며 11분 이상의 범위에서는 효율의 증가율은 포화되어 일정한 착유효율을 보이고 있다.
측정방법으로는 동일한 질량의 시료를 장착하고 토크렌치를 이용하여 착유기에 10 Nm의 회전력을 가하여 착유된 효율을 측정한다 여기에 초음파를 가하면 부가 착유가 진행되어 10 Nm의 회전력을 가하기 위해서는 다시 토크렌치를 회전하여 피스톤을 진행시켜 주어야 한다. 이러한 과정을 매 1분마다 반복하여 초음파의 조사시간에 따른 잔여 시료의 질량을 측정하여 효율을 산출하였다. 그림 11의 결과를 보면 초음파를 가하지 않은 경우로부터 초음파를 가하는 시간이 증가함에 따라 대수적인 증가를 보이고 있으며 11분 이상의 범위에서는 효율의 증가율은 포화되어 일정한 착유효율을 보이고 있다.
착유기의 착유과정에서 초음파 트랜스듀서에 의한 부가 압력을 산출하기 위하여 레이저 도플러 진동속도 측정기를 사용하여 트랜스듀서 방사면의 진동진폭을 측정한다. 레이저도플러진동속도계 (Graphtec AT350)의 레이저 유닛과 초음파 트랜스듀서의 방사 면과의 거리가 약 0.5 m가 되도록 설치하고 착유시의 가진 조건과 동일하게 신호발생기 (Function generator 33220A, Agilent)의 진동수 및 파형의 진폭 그리고 증폭기 (High speed bipolar amplifier HSA4014, nf corporation)의 증폭률을 설정한다. 초음파 트랜스듀서에 인가하는 전압 및 전류가 각각 70 Vrms, 100 mA 이며 주파수가 29.
착유기의 착유과정에서 초음파 트랜스듀서에 의한 부가 압력을 산출하기 위하여 레이저 도플러 진동속도 측정기를 사용하여 트랜스듀서 방사면의 진동진폭을 측정한다. 레이저도플러진동속도계 (Graphtec AT350)의 레이저 유닛과 초음파 트랜스듀서의 방사 면과의 거리가 약 0.
착유기의 회전손잡이에 토크 렌치 (Torque Wrench, 3/8” DRIVE 2.8-22.0 Nm, TORQUEWORLD)를 부착하고 회전력을 증가시켜가며 이때 나타나는 휘스톤브리지 회로의 전류계를 읽어 변형에 의한 전류의 변화를 측정한다.
이 변형-압력 변환기를 그림 5에 나타낸 것과 같이 착유기의 시료대신에 장착하고 회전력에 의한 압력을 측정한다. 착유기의 회전손잡이에 토크 렌치 (Torque Wrench, 3/8” DRIVE 2.8-22.0 Nm, TORQUEWORLD)를 부착하고 회전력을 증가시켜가며 이때 나타나는 휘스톤브리지 회로의 전류계를 읽어 변형에 의한 전류의 변화를 측정한다. 이 결과를 그림 6에 나타내었다.
812 kHz 이었으며 인가전압 및 전류는 70 Vrms, 100 mA이었다. 초음파를 지속적으로 가하며 매 1분마다 착유기의 실린더를 토크렌치를 이용하여 회전시켜 10 Nm의 회전력을 가하였다. 이때 시료로부터 액즙이 금속 실린더의 그물망을 통해 배출되며 남은 시료의 질량을 측정한 후 초음파 트랜스듀서를 구동하여 남은 시료에 초음파를 3분간 가한다.
812 kHz 이었으며 인가전압 및 전류는 70 Vrms, 100 mA이었다. 초음파를 지속적으로 가하며 매 1분마다 착유기의 실린더를 토크렌치를 이용하여 회전시켜 10 Nm의 회전력을 가하였다. 이때 시료로부터 액즙이 금속 실린더의 그물망을 통해 배출되며 남은 시료의 질량을 측정한 후 초음파 트랜스듀서를 구동하여 남은 시료에 초음파를 3분간 가한다.
초음파의 조사시간에 따른 착유효과를 확인하기 위하여 입력시료 70 g일 때에 대하여 상술한 조건의 전기입력 신호로 구동하는 초음파 트랜스듀서를 구동하여 초음파의 방사시간을 변화시 켜 가며 착유효율을 측정한 결과를 그림 11에 나타내었다. 측정방법으로는 동일한 질량의 시료를 장착하고 토크렌치를 이용하여 착유기에 10 Nm의 회전력을 가하여 착유된 효율을 측정한다 여기에 초음파를 가하면 부가 착유가 진행되어 10 Nm의 회전력을 가하기 위해서는 다시 토크렌치를 회전하여 피스톤을 진행시켜 주어야 한다. 이러한 과정을 매 1분마다 반복하여 초음파의 조사시간에 따른 잔여 시료의 질량을 측정하여 효율을 산출하였다.
초음파의 조사시간에 따른 착유효과를 확인하기 위하여 입력시료 70 g일 때에 대하여 상술한 조건의 전기입력 신호로 구동하는 초음파 트랜스듀서를 구동하여 초음파의 방사시간을 변화시 켜 가며 착유효율을 측정한 결과를 그림 11에 나타내었다. 측정방법으로는 동일한 질량의 시료를 장착하고 토크렌치를 이용하여 착유기에 10 Nm의 회전력을 가하여 착유된 효율을 측정한다 여기에 초음파를 가하면 부가 착유가 진행되어 10 Nm의 회전력을 가하기 위해서는 다시 토크렌치를 회전하여 피스톤을 진행시켜 주어야 한다. 이러한 과정을 매 1분마다 반복하여 초음파의 조사시간에 따른 잔여 시료의 질량을 측정하여 효율을 산출하였다.

성능/효과

9 MPa이었다. 이로부터 얻어진 착유효율은 입력시료의 질량이 30〜70 g인 경우에 대하여 최대 27 %의 착유효과를 나타냈었으며 초음파에 의한 효율은 그 중 약 3〜10 %임을 알 수 있었다. 이상의 결과로부터 기존의 압착방식에 의한 착유기술에 있어서 초음파에 의한 진동을 부가함에 의해 착유효율의 증대를 기대할 수 있으며 향후 관련 제품 개발에 유익한 기초자료를 제공할 것으로 사료된다.
9 MPa이었다. 이로부터 얻어진 착유효율은 입력시료의 질량이 30〜70 g인 경우에 대하여 최대 27 %의 착유효과를 나타냈었으며 초음파에 의한 효율은 그 중 약 3〜10 %임을 알 수 있었다. 이상의 결과로부터 기존의 압착방식에 의한 착유기술에 있어서 초음파에 의한 진동을 부가함에 의해 착유효율의 증대를 기대할 수 있으며 향후 관련 제품 개발에 유익한 기초자료를 제공할 것으로 사료된다.
이 결과를 바탕으로 초음파의 유무에 따른 착유효율을 나타내면 그림 10과 같다. 즉, 초음파에 의한 효율의 변화는 입력시료의 질량이 60 g 이상이 되면 약 10 % 전후의 효율증가를 기대할 수 있음을 확인할 수 있다. 상술한 식 (13)의 결과에서 회전력에 의해 가해지는 정압에 대하여 초음파에 의해 부가되는 압력의 진폭은 약 2.

후속연구

8 %에 불과하나 이 부가압력의 초음파의 주기에 따른 변화는 착유효율증가에 더욱 더 효율적임을 확인 할 수 있다. 이는 압력의 주기적인 변화에 따른 착유매질 입자의 재배열에 의한 효과로 사료되며 향후 과제로 진행할 것이다.
이로부터 얻어진 착유효율은 입력시료의 질량이 30〜70 g인 경우에 대하여 최대 27 %의 착유효과를 나타냈었으며 초음파에 의한 효율은 그 중 약 3〜10 %임을 알 수 있었다. 이상의 결과로부터 기존의 압착방식에 의한 착유기술에 있어서 초음파에 의한 진동을 부가함에 의해 착유효율의 증대를 기대할 수 있으며 향후 관련 제품 개발에 유익한 기초자료를 제공할 것으로 사료된다.

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