분무건조장치는 Solution, Slurry, Emulsion, Colloidal Suspension 등의 액상원료를 미립화하여 표면적을 증가시켜 수열면적을 크게 하여 열풍과 직접 접촉함으로써 순간적으로 건조를 행하여 액상원료로부터 바로 분립상의 제품을 얻는 건조법이다. 분유를 비롯하여 Instant 식품류, 합성세제, 염료, 안료, Ceramic, 공해 폐액의 처리에 이르기까지 폭넓게 이용되고 있다. 분무건조기는 통기, 회전, 기류 건조기 등 다른 건조기에 비하여 고도의 설계 및 제작 기술을 요하며, 설계에 있어서 일부 이론적인 취급이 행해지고 있는 것은 사실이나 아직은 경험에 의존하고 있는 현실이다. 국내에서 제작되고 있는 분무건조기의 열효율은 25-33%로 선진국의 35-48%에 비해 매우 낮다. 국내에서 사용되고 있는 분무건조기의 92%는 덴마크, 일본 등에서 수입된 것이다.(중략)
건조는 열풍, 스팀 및 전자기파 등의 직접 또는 간접적인 에너지를 투입하여 최종 제품, 가공, 후처리 과정에서 수분을 제거하는 필수 단위공정으로서 화공, 섬유, 식품, 제지·목재, 금속부품 및 폐기물 등에 이르기까지 모든 산업의 생산과정에서 널리 사용되고 있다. 건조공정은 국내 총에너지소비량의 1.2%('95년기준 1,413천TOE), 산업부문 에너지소비량의 2.2%를 소비하는 에너지다소비 장치의 하나이다. 실제론 산업분야 건조설비 사용업체의 에너지사용 비중 중에서 건조공정의 에너지사용 비중이 30%를 초과하고 있으나, 대부분의 건조공정의 에너지 이용효율이 50%이하로서 매우 낮은 실정이다.(중략)
유중 건조 공정의 기본 원리는 수분과 비열차이가 있는 오일을 가열할 때 온도 차이에 따라 형성되는 슬러지 내부의 급격한 압력 변화를 이용한다. 즉 슬러지 내부에 발생하는 급격한 압력 상승이 이루어질 때 슬러지 공극을 통하여 수분이 빠르게 배출하도록 하는 것이다. 본 연구의 목적은 유중 건조공정 중 다양한 운전 변수가 건조효율에 미치는 영향을 구체적으로 규명하기 위한 것이다. 변수 연구를 위하여 일련의 건조 실험과 수치해석을 시도하였으며 그 결과 건조온도, 건조시간, 폐오일종류, 슬러지 종류 등 중요 실험변수에 따른 건조곡선이 얻어졌다. 건조 온도 변화에 따른 연구 결과는 폐오일의 종류에 관계없이 $140^{\circ}C$ 이상으로 운전하는 것이 건조효율에 유리한 것으로 나타났으며 이 결과는 수치 해석적 결과로도 확인되었다. 그리고 슬러지 직경의 경우 직경이 감소할수록 효율적으로 건조되는 경향으로 보였으며 이는 비표면적의 증가에 기인하는 것으로 판단되었다. 오일 종류나 물성의 변화에 대한 연구에서는 오일의 점도가 가시적인 영향을 주는 것으로 나타났다. 특히 점도가 높은 오일의 경우 건조 초반에 수분 증발이 현저히 지체되는 현상이 나타났다. 그러나 건조온도 $140^{\circ}C$ 이상에서는 이러한 지체 현상이 감소하는 결과를 나타내었다. 슬러지 종류에 따른 연구에서는 전체적으로 큰 차이를 나타내지는 않았으나 하수슬러지가 다른 종류의 슬러지에 비하여 좀 더 가시적으로 양호한 수분제거 양상을 나타내었다. 수치 해석적 연구는 실험적 연구에 대한 상호보완적인 연구로서 가능성을 보였으나 복잡한 세부모델에 대한 경험적인 모델개발의 필요성이 제기되었다.
본 연구에서는 단순 폐기 되는 농업폐기물(토마토, 고추, 파프리카)을 고형연료로 재활용하기 위한 열풍건조장치를 개발하고 실험을 통해 그 성능을 확인하고자 하였다. 연구를 위해 건조용량 500 kg/hr인 쓰레기소각장 폐열을 열원으로 사용하는 건조기를 제작하였다. 경상남도 진주시 농산물 시장에서 구입한 남해산 시금치를 실험원료로 사용하였다. 열교환기에서 스팀 열교환에 의해 가열된 건조공기를 열풍으로 사용하여 절단 원료 투입량(126, 250, 300 kg), 원료교반여부(수동 교반, 수동 비교반), 건조방식(건조물 정치, 건조물 이송), 건조시간(0.25, 0.5, 0.6 hr)에 따른 건조특성을 파악하였다. 투입 원료의 함수율은 85.65%로 측정되었으며, 소각장 공급 스팀에 의해 열교환기에서 가열된 건조공기온도는 건조기에 투입된 실험원료의 퇴적고에 따른 압력저항에 의해 다소 차이를 보였으며 약 108 내지 144℃로 측정되었다. 동일 건조방식, 투입량, 건조시간, 건조공기온도에서 상하층간 원료를 교반하는 하는 경우가 그렇지 않은 경우에 비해 약 2배 정도의 높은 건조속도를 보였다. 각 실험에서 건조용량은 약 500 kg/hr으로 나타났다. 국내 농산물 건조기 157개의 농업실용화재단 검사성적서를 기준으로 투입 에너지에 대한 건조 소요에너지 비를 나타내는 건조효율을 비교한 결과 국내 농산물 건조기 57.76%, 개발된 농업폐기물 건조기 33.46%로 기존 농산물 건조기에 비해 낮게 나타났다. 개발된 농업폐기물 건조기는 건조시간이 1시간 이내로 건조시간이 짧으며, 건조 중 많은 풍량이 손실되어 건조효율이 저하된 것으로 판단되었다. 소각장 폐열을 직접 건조열원으로 사용하는 경우 건조공기온도는 최저 160℃ 이상으로 예상 되는 바 건조용량이 크게 향상될 것으로 예측된다.
홍조류 추출물(RAE)를 이용하여 오미자 절편을 탈수, 건조한 후, 열풍건조 처리된 시료와 복원율, 총 페놀 함량 등을 비교, 분석하였다. 처리 농도에 따른 시간 별 탈수양은 농도가 높을수록 탈수효율이 좋았으며, 경제적 측면을 고려하여 RAE 40%를 최적 탈수제 처리 농도조건으로 수립하였다. 복원율에서는 열풍건조에 비해 RAE 처리 시료가 더 좋은 복원율을 보였고, RAE 40% 처리 오미자의 경우 총 페놀 함량이 1304.8 mg GAE/100 g으로 999.5 mg GAE/100 g인 열풍건조보다 높은 결과를 보였다. 따라서 본 연구 결과, RAE를 이용한 오미자의 탈수, 건조는 기능성 성분 손실을 최소화하고 신선한 시료의 본래 상태로 복원될 수 있는 효율적인 건조 방법이라고 판단된다.
본 연구에서는 정제된(+)-dihydromyricetin로부터 잔류 용매를 효과적으로 제거할 수 있는 건조 방법을 개발하였다. 에탄올 전 처리를 통한 회전 증발(rotary evaporation)에 의해 잔류 아세톤 농도를 ICH 규정치(5,000 ppm) 이하로 효율적으로 제거하였다. 또한 잔류 에탄올 역시 물 첨가를 통한 회전 증발로 ICH 규정치(5,000 ppm)를 충족시켰으며 잔류 수분 함량은 4% 이내였다. 모든 건조 온도(35, 45, 55 ℃)에서 잔류 용매는 건조 초기에 급격히 제거되었으며 건조 효율은 건조 온도가 높을수록 증가하였다. 건조 메커니즘 조사 결과, 에탄올 전 처리에 의한 잔류 용매 제거는 아세톤-에탄올 혼합물의 높은 증기압과 아세톤-에탄올 간의 수소 결합과 연관됨을 알 수 있었다.
과열증기와 열풍(과열증기/열풍건조) 또는 원적외선(과열증기/원적외선건조)으로 복합건조한 방울토마토의 이화학특성을 상응하는 열풍건조 토마토와 비교하여, 복합건조가 건조토마토의 품질특성에 미치는 영향을 조사하였다. 방울토마토의 수분함량 85.10%는 열풍건조, 과열증기/열풍 또는 원적외선의 복합건조에 따라 15.98, 22.94 및 23.08%로 각각 감소하였으며, 열풍건조와 달리 복합건조 토마토는 중간수분식품의 수분함량에 해당하는 반건조상태를 나타내었다. 건조토마토의 수축도와 표면색상은 건조 방법에 관계없이 유사하였으나, 열풍건조 토마토는 복합건조에 비해 단단한 텍스처와 낮은 풍미를 나타내었다. 방울토마토의 아스코브산 함량(260.1 mg/100 g)은 열풍건조에서 77.6 mg/100 g으로 최대 감소를 보인 반면, 복합건조의 경우에는 과열증기/열풍건조 120.8 mg/100 g, 과열증기/원적외선건조 185.2 mg/100 g으로 낮은 손실을 나타내었다. 리코펜 함량은 열풍건조, 과열증기/열풍 또는 원적외선의 복합건조에서 각각 5.55, 5.81 및 8.53 mg/100 g으로서, 대조구 대비 77, 76 및 64%의 높은 손실률을 나타내었는데, 이는 건조공정 이외에 시료의 탈피와 동결건조 과정에서 리코펜이 유실, 손상되었기 때문으로 추정된다. 그러나 건조방법에 따른 리코펜의 손실 양상을 고려할 때, 리코펜 손실은 과열증기/원적외선의 복합건조에서 가장 낮은 것으로 판단된다. 한편 수분흡수력은 모든 수침시간에서 복합건조시료가 열풍건조에 비해 현저하게 높았으며, 특히 과열증기/원적외선건조의 경우 가장 빠른 수화복원력을 나타내었다. 이상의 결과에 따라 방울토마토의 건조는 외관, 유용성분의 손실률과 수화복원력의 관점에서 과열증기처리 후 원적외선으로 건조하는 복합건조가 열풍건조에 비해 효율적인 것으로 판단된다.
텐터의 성능을 결정하는 요인은 여러 가지가 있으나, 섬유의 종류 또는 가공 공정의 목적에 따라 적절한 건조속도 및 효율성, 원단의 전 폭에 걸친 건조 균일도, 습윤 공기의 자동 배출, 원단의 장력 및 오버피드, 그리고 각종 자동화 제어 장치의 활용 등으로 구분되어 질 수 있으며, 그러므로 텐터기 챔버 내부의 공간구조에 따른 비효율적 유로형상과 공기 분사노즐 정확한 압력 및 온도분포에 대한 현장 기초자료를 확보하여 텐터의 에너지 절약 및 건조 원단의 품질을 향상시킬 수 있는 구조의 설계가 요구된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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