식품 공학, 식품기사, 위생사, 영양사 대비 식품가공공정학 8. 분리 및 추출

8. 분리 및 추출

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분리농축

: 식품 가공에서는 유익한 물질을 분리(separation) 또는 농축

(concentration)하여 이용하고,

유해한 물질은 제거하여 식품의 품질을 향상..

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◈ 식품 물질을 분리하는 방법

① 여과(filtration) : 필터 (filter)를 사용하여 불용성 물질을 분리

② 원심분리(centrifugation) : 물질의 비중에 의해 분리

③ 추출(extraction) : 용매에 대한 용해도 차이를 이용

④ 막 분리 농축(membrane concentration) : 막을 사용하여 미세입자를 크

기에 따라 분리

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여과

: 다공성 여과제(medium)를 이용하여 불용성물질을 물리적으로 분리하는

조작

- 여액(filtrate)

- 여과박(filter cake)

- 여과제(filter medium)

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* 여과제의 저항(Rm), 여과박의 저항(Rf, Rc)

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* 구동력에 따라 압력강하를 극복하는

① 상압여과 ② 가압여과 ③ 감압여과

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1) 여과제

① 체, 면직 → 직조형 ② 섬유조직(솜, 펄프) → 펄프형

③ 철판구멍 → 다공판형 ④ 모래상 형 → 자갈, 모래, 실리카겔

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2) 여과조제(filter aid)

: 여제의 구멍이 막히지 않도록 비압축성 물질의 입자를 여제위에 별도의

층(precoat)을 형성(규조토, silical gel, 펄프, 숯)

precoating / premix

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3) 여과기

① 고체-액체 여과 

▷ 중력여과기 

▷ 원심여과기

▷ 가압여과기

▷ 감압여과기

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② 고체-기체여과기

▷ bag filter

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침강분리

: 대량의 유체중에 부유되어 있는 고체입자를 중력에 의하여 침강시켜 고체-액체를

분리하는 조작.

: 전분공업, 유가공업, 과즙가공, 양조공업 등에 이용

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◈ 목적

① 청징액을 얻을 경우 : 과즙 및 청주

② 현탁물의 농축액을 얻기 위하여 : 녹말침전

③ 현탁액의 고체입자를 크기에 따라 분획, 분급하기 위하여

원심분리

◈ 원심분리

: 원심력을 이용하면 빠른 분리가 가능, 액체와 액체 간의 분리, 액체와

고체 간의 분리에 이용

원심력 Fc= 0.011 mrN2

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◈ 원심효과

중력과 원심력의 비(z)

z= 0.001118rN2

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◈ 액체-액체 원심분리장치 : 원통형 보울 원심분리기, 디스크 보울

◈ 고체-액체 원심분리 : 고체보울 원심분리기, 노즐배출형 원심분리기

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막분리

: 액체에 용해되어 있거나 분산되어 있는 물질을 다공성 여과매체에 통과

시켜 크기나 입자 크기별로 선택적으로 분리하는 방법

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◈ 특징

① 상변화 無 → 에너지 절감

② 열처리 無 → 색소분해 갈변 無 , 영양가 손실 無

③ 증발공정 無 → 휘발성분 손실 無

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◈ 막 재료 및 장치

: 막을 지탱해주고 형태를 유지 시켜주는 모듈(module)은

- 넓은 면적을 제공해 주어야 한다.

- 압력변화와 액체의 이동에도 손상이 없어야 하며 세척이 용이해야 함

- 평판형 (plate and frame), 관형 (tubular)， 중공사형 (hollow fiber),

나선형(spiral) 형태

막 재료 및 장치

1) 평판형 모듈

- 가압 여과막과 같은 구조로 양면에 여과막을 가진 평판(plate)과 속이 비어

있는 스페이서(spacer)를 샌드위치 형태로 적층,

- 원액이 주입되어 여과막을 통과하면 스페이서(spacer)를 통하여 배출

- 일정한 공간에 더 많은 막의 표면적을 갖게 하며 막의 교체가 수월

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2) 관형 모듈

-원료액이 원통형 모양의 여과막 내부로 흐르고, 막을 통한 여과액은 판 밖으로

모이게 됨. 12-15mm의 직경에 1.2-3.2m 길이의 크기를 갖고 있는 여러 개의

관형 모듈을 원통형 통에 장착하여 사용

- 관형 형태의 모듈은 액체의 흐름속도가 좋고 fouling이 잘 일이나지 않음

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3) 중공사 (hollow fiber)

- 매우 작은 반지름(1~1.2mm)을 가진 50-1,000개의 fiber로 구성. 표면적이 매우 커

역삼투에 응용. Fouling 이 쉽게 발생

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3) 나선형 모듈

- 여과막, 스페이서(spacer), 그물망(mesh), 지지체 등이 여러 층(layer)들이 겹쳐져

구멍이 뚫린 중앙 튜브 주위를 나선형 형태로 둘러싸고 있는 형태

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막분리 종류

1) 마이크로여과(MF. microfiltration)

: 분자량 100,000~500,000 크기가 0.1~2㎛

: 콜로이드(colloid), 지방구(fat globule), 단백질, 세포 분리

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2) 한외여과(UF, ultrafiltration)

: 10,000~200,000 범위의 분자량 크기가 이0.01~0.1 ㎛

: 물질을 분리하여 농축하는 경우와 제거하는 경우로 광범위하게 사용

: 유가공에서 우유나 유청(whey)의 농축(약 20%의 고형분까지)과 유당의 제거에 이용

: 단백질이나 펙틴, 효소를 제거, 생맥주 등에서 세균을 여과 분리하여 농축하는 경우는 설탕과 펙틴，단백질, 효소 등

3) 나노여과(NF, nanofiltration)

: 한외여과보다 더 작은 분자량의 물질을 분리할 수 있는 방법

: 분자량 300~1,000까지 분리가 가능.

: 포도당 등 단당류를 분리, 소금과 같은 저분자량 물질도 반 정도 제거

이온물질도 어느 정도 제거

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4) 역 삼투압(RO, reverse osmosis)

: 삼투압보다 큰 압력을 가하여 역방향의 분리(삼투와 반대방향으로

용매가 저농도 쪽으로 이동하는 현상으로 농도가 높은 것을 더

높게 함)를 일으키는 것.

: 200x l03 pa(200 기압) 이상의 높은 압력.

: 저분자 용질의 분리. 소금이나 단당류, 향미물질도 분리

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◈ 역삼투(RO)의 이용

분자량이 300 이하인 세균, 유기물의 99.9%까지 제거

저알코을 맥주 제조나 청량음료 제조 시 음료수를 맑게 할 때 이용

폐수에서 유용물질(단백질 등)을 회수

분자량의 크기에 의해서 분리 가능, 전해질도 분리할 수 있어 바닷물로부

터 소금을 제거하여 식수를 정제하는 데에도 이용

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추출(extraction): 성분을 용매에 용해시켜 분리하는 방법

: 유용성분을 분리하여 이용하거나 필요 없는 성분을 분리하여 제거

① 식용유지의 추출

② 향미물질과 정유성분의 추출

③ 커피의 추출

④ 기능성 물질의 추출

⑤ 커피나 차에서 카페인(caffeine) 제거

◈ 용어

: 원료(추재), 용질, 용매, 추출액, 잔류물

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◈ 종류

① 고-액 추출(solid-liquid extraction, leaching)

② 액-액 추출(liquid- liquid extraction, extraction)

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◈ 추출속도

① 입자표면적-넓을수록

② 용매점도- 낮을수록

③ 추출온도- 높을수록

④ 용매의 유속- 빠를수록 유리

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◈ 용매

: C5-C7의 포화탄화수소류(hexane)

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◈ 추출기

① 회분식추출기 ② 볼만추출기

③ 다단식추출기 ④ 힐데브란트추출기

⑤ 연속식추출기 ⑥ 보노트추출기

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초임계유체추출법(Supercritical fluid Extraction)

: 초임계 이산화탄소는 커피나 차에서 카페인을 제거하기 위해서 사용되고 있으며 최근에는 맥주 제조 시 첨가하는 호프(hop)나 향신료에서 향미물질을 추출하는 데에도 사용

◈ 저온에서 조작 : 열에 민감한 물질 추출

◈ 초임계 추출

- 확산계수가 높고, 점도가 낮아 빠른 추출과 상분리 가능

- CO2가 가장 많이 사용

- 30℃, 70기압이상에서 사용

* 임계온도- 그 온도이상에서 압력에 관계없이 액상으로 존재할 수 없는 온도

◈ 초임계 유체

: 일정한 온도와 압력 이상이 되면 액체와 기체를 구분할수 없는 상태

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◈ 특징

① 초임계유체 상태에서는 액체와 비슷한 밀도를 가지고 있어 액체 용매처럼

용질에 대한 높은 용해력과 기체 상태와 같이 낮은 점도와 높은 확산도를

가지고 있어 침투력이 좋기 때문에 추출 효율이 높음.

② 추출 후 기체 상태로 쉽게 제거할 수 있어, 용매 잔류가 없고, 추출 중 외부

산소와 차단되어 있어 산화에 의한 손실을 방지.

③ 낮은 임계온도의 초임계 유체는 열에 불안정한 물질 추출에도 사용

④ 식품에서는 저렴하고, 취급 및 제거가 쉽고, 임계점이 낮으며, 화학적으로

안정한 이산화탄소를 초임계유체로 사용

⑤ 초임계 이산화탄소는 식품에서 지방 및 콜레스테롤 제거, 커피에서 카페인 제거,

무알코올음료 제조, 참기름 추출 등 이용