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문제 정의
- 대량의 프로폴리스를 추출 하기 위해서 현재는 단순교반방식을 일반적으로 이용하고 있어 원소재내에서 기능성 물질의 추출에는 한계가 있고 시간이 많이 걸리며 수율이 낮아 추출수율을 향상시킬 수 있는 방안에 대한 요구로 고효율 추출장치를 개발하게 되었다. 개발된 장치를 이용하여 원괴로부터 프로폴리스의 유효성분 추출공정에 적용하고 추출효율을 향상시키고자 한다.
- 본 연구는 프로폴리스(propolis)의 추출 효율향상에 관한 것으로, 프로폴리스 추출에는 기존 가열방식은 불가능함으로 교반식 용매 추출법을 일반적으로 사용하고 있다. 대량의 프로폴리스를 추출 하기 위해서 현재는 단순교반방식을 일반적으로 이용하고 있어 원소재내에서 기능성 물질의 추출에는 한계가 있고 시간이 많이 걸리며 수율이 낮아 추출수율을 향상시킬 수 있는 방안에 대한 요구로 고효율 추출장치를 개발하게 되었다.
제안 방법
- 45℃ 이상에서는 점점 더 끈적끈적해지고, 60~70℃ 정도에서는 용액 형태로 바뀌며, 100℃가 넘으면 녹아서 변성이 일어난다. 그러므로 적정한 온도(40℃) 를 유지하기위해 5Kw의 전기 히터를 4개를 설치하고, 2개씩 분리 가동하여 적정온도를 유지하도록 제어하고, 모니터링이 가능하도록 설계하였다.
- 따라서 추출성능을 향상시킴으로서 생산성 및 경제성을 향상시킬 수 있는 새로운 방식의 추출기 개발에 대한 기업으로부터의 요청이 있었다. 그에 따라 기존방식에 원액 프로폴리스 원괴와 주정 혼합액에 충격을 가할 수 있는 공기방울 파동방식을 모사하여 내부용액을 순환시키면서 고압으로 미스트 형태로 분사가 가능하고 타격할 수 있는 장치를 구성하여 설계하였다. 또한 상온방식을 저온방식으로 변경하여 탱크 내 용액을 40℃ 로 일정하게 유지할 수 있도록 2중 자켓으로 구성하여 열매체를 가열하는 방식을 채용하였다.
- 기존의 상온 단순교반 알콜 추출방식의 성능을 개선 통한 프로폴리스의 추출력을 향상시키기 위해 40℃의 저온을 유지하고, 용액 (알콜, 95% 주정) 미스트분사 및 타격 방식의 교반 추출기를 개발하였다.
- 그에 따라 기존방식에 원액 프로폴리스 원괴와 주정 혼합액에 충격을 가할 수 있는 공기방울 파동방식을 모사하여 내부용액을 순환시키면서 고압으로 미스트 형태로 분사가 가능하고 타격할 수 있는 장치를 구성하여 설계하였다. 또한 상온방식을 저온방식으로 변경하여 탱크 내 용액을 40℃ 로 일정하게 유지할 수 있도록 2중 자켓으로 구성하여 열매체를 가열하는 방식을 채용하였다.
- 5 와 같다. 벌집 원괴 100㎏ 과 주정 400ℓ를 탱크에 투입한 후 , 탱크를 저온 40℃로 일정하게 유지하면서 하루 8시간씩 15일 (추출시간 단축 테스트를 위해 초기 설정) 동안 미스트 분사 및 타격과 동시에 교반하며 추출 을 실시하였다 기존에 사용 중인 상온 단순교반 추출기와 새로 개발된 미스트분사식 저온 추출기의 사양은 Table 1과 같다. 양산제품 생산 비교테스트 결과는 1회 추출 생산량 추출 소요시간 추출된 물질의 총 플라보노이드 함량과 원가절감에 대해 검토하였다.
- 상세설계 내용을 보면 식품관련 장치로 SUS를 사용하여 탱크용량은 500ℓ/회 (1 batch) 가 가능하도록 650ℓ탱크( ∅ 960×h890)로 설계하고, 기존 추출기와 달리 저온 추출을 위해 히터를 적용하였다.
- 벌집 원괴 100㎏ 과 주정 400ℓ를 탱크에 투입한 후 , 탱크를 저온 40℃로 일정하게 유지하면서 하루 8시간씩 15일 (추출시간 단축 테스트를 위해 초기 설정) 동안 미스트 분사 및 타격과 동시에 교반하며 추출 을 실시하였다 기존에 사용 중인 상온 단순교반 추출기와 새로 개발된 미스트분사식 저온 추출기의 사양은 Table 1과 같다. 양산제품 생산 비교테스트 결과는 1회 추출 생산량 추출 소요시간 추출된 물질의 총 플라보노이드 함량과 원가절감에 대해 검토하였다. 특히 총 플라보노이드 함량에 대해서는 자체검사 뿐만 아니라 공인기관의 분석결과를 추가함으로서 개발 장치의 신뢰성을 확보하였다.
- 탱크 내부에는 ∅ 90球에 ∅ 1.5인 30개의 홀을 갖는 미스트 분사 및 CIP 볼이 설치되도록 하였고[14], 1hp의 식품용 펌프를 이용하여 116 ℓ/min 로 추출액을 순환시켜 탱크 내 저면 및 상부에 위치한 분사노즐에서 미세한 미스트분사를 실시하여 공기방울 파동효과를 발생시키고[15], 상부에는 비산판을 설치하여 용액이 부딪혀 충격이 가해지도록 함으로서 프로폴리스의 추출력을 향상시키는 기능을 추가하였다.
- 양산제품 생산 비교테스트 결과는 1회 추출 생산량 추출 소요시간 추출된 물질의 총 플라보노이드 함량과 원가절감에 대해 검토하였다. 특히 총 플라보노이드 함량에 대해서는 자체검사 뿐만 아니라 공인기관의 분석결과를 추가함으로서 개발 장치의 신뢰성을 확보하였다.
- 기존의 상온 단순교반 알콜 추출방식의 성능을 개선 통한 프로폴리스의 추출력을 향상시키기 위해 40℃의 저온을 유지하고, 용액 (알콜, 95% 주정) 미스트분사 및 타격 방식의 교반 추출기를 개발하였다. 프로폴리스의 추출 비교 테스트 후 유효성분인 플라노이드계 물질의 함량을 분석하였고, 다음과 같은 결과를 얻었다.
대상 데이터
- 장치의 주요구성 부품은 추출탱크 (2중 자켓을 구성한 3중 구조), 콘덴서 교반 모터 및 장치 미스트, 분사 CIP(순환 세정장치) 볼, 원액 이송펌프, 비산장치, 전기히터, 전기 컨트롤 패널로 구성된다. 상세설계 내용을 보면 식품관련 장치로 SUS를 사용하여 탱크용량은 500ℓ/회 (1 batch) 가 가능하도록 650ℓ탱크( ∅ 960×h890)로 설계하고, 기존 추출기와 달리 저온 추출을 위해 히터를 적용하였다.
데이터처리
- 또한 새로 개발된 추출기와 기존방식의 추출기로 1batch 추출결과에 대한 추출 특성을 Table 2 에 정량적으로 나타내었다. 이 결과를 기준으로의 개발된 장치를 이용한 생산 원가절감 분석을 위해서 기존 장치와 비교분석하였다. 생산성 검토를 위해 재료비 노무비 경비 등을 고려한 원가절감 효과를 산출한 결과 년간 12.
- 프로폴리스 추출성능 향상을 위해 개발된 Fig. 4 의 저온 미스트분사 추출기를 이용하여 기존장비와 개발된 장비의 프로폴리스 추출성능 비교 테스트를 실시하였다. 그 추출 테스트 과정은 Fig.
성능/효과
- 1. 개발된 미스트분사 방식의 추출기를 이용한 추출 테스트 결과 플라보노이드 함량이 1.56%로 기존 단순 교반 추출기의 1.04% 함량 대비 1.5배의 추출력이 향상되었다.
- 5%가 추출되었다. 1.0%의 추출함량을 보이는 기존 추출방식의 효율과 비교 할 때 약 1.5배의 농도를 보였다.
- 2. 또한 1회 1.4 배의 추출량이 가능하면서 추출시간도 1/2로 단축시킬 수 있었고, 년간 약 12.7% 정도의 생산 원가절감이 가능하였으며 저온유지, 미스트분사 및 타격 방식을 채용하여 개발된 교반 추출기의 유효성을 확인할 수 있었다.
- 이는 초기 설정한 120시간 추출 테스트로 얻어진 결과로서 추출시간도 1/2로 단축할 수 있음을 알 수 있었다. 또한 대장균 등의 식품 세균테스트 기준에 따른 테스트 결과도 모두 음성으로 적합판정을 받았다.
- 열이 가해지면 약한 결합이 열분해되어 약성이 떨어지고 새로운 독성 물질이 발생할 수 있다. 또한 추출 후 부패성으로 장기보관이 어렵고 미생물 번식에 취약하여 유통 가공성 그리고 추출효율이 떨어진다. 특히 추출원재료 대비 추출량 및 유효성분의 함량 파악이 어렵고, 용매추출 방법에 비하면 추출효율이 떨어진다.
- 7% 이상 원가절감이 가능할 것으로 산출되었다. 상온에서 단순교반에 의한 프로폴리스 추출 방식은 생산성 및 추출효율이 낮아 경제성을 향상시키고자 새로운 방식으로 저온유지 미스트분사 및 타격방식을 적용하여 추출력을 향상시키는 새로운 추출기를 개발하였고, 추출 성능을 테스트한 결과 우수한 결과를 얻을 수 있었다.
- 이 결과를 기준으로의 개발된 장치를 이용한 생산 원가절감 분석을 위해서 기존 장치와 비교분석하였다. 생산성 검토를 위해 재료비 노무비 경비 등을 고려한 원가절감 효과를 산출한 결과 년간 12.7% 이상 원가절감이 가능할 것으로 산출되었다. 상온에서 단순교반에 의한 프로폴리스 추출 방식은 생산성 및 추출효율이 낮아 경제성을 향상시키고자 새로운 방식으로 저온유지 미스트분사 및 타격방식을 적용하여 추출력을 향상시키는 새로운 추출기를 개발하였고, 추출 성능을 테스트한 결과 우수한 결과를 얻을 수 있었다.
- 이는 기존에 프로폴리스를 추출하는 알콜(95% 주정)에 의한 상온 단순교반 추출기와 비교할 때추출탱크를 저온으로 유지하면서 탱크 내 하부 분사 볼을 이용한 용액 미스트 분사와 상부의 분사 볼에서 분사된 용액의 비산판 타격을 통한 프로폴리스 추출성능 향상의 유효성은 확인할 수 있었다.
- 이상과 같이 용액을 40℃로 유지하며 교반과 동시에 미스트 분사 및 타격하면서 1batch 추출 테스트 후 추출물에 대한 총 플라보노이드 함량분석 결과 약 1.5배의 추출력 향상이 가능하였다. 이는 초기 설정한 120시간 추출 테스트로 얻어진 결과로서 추출시간도 1/2로 단축할 수 있음을 알 수 있었다.
- 추출 테스트 후 모두 3개의 검체를 채취하여 분석을 실시한 결과 프로폴리스의 유효물질인 총 플라보노이드의 함량에 있어서 자체 함량분석 결과 15.6 mg/g, 1.56%으로 공인기관을 통한 함량분석 결과는 14.89 mg/g 으로 약 1.5%가 추출되었다. 1.
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