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JKFN Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition



Online ISSN 2288-5978

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Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2022; 51(8): 836-844

Published online August 31, 2022 https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.8.836

Copyright © The Korean Society of Food Science and Nutrition.

Study on Tribo-Electrostatic Separation for Protein Concentration of Soybean Powder

Sang-Ho Baek1 , Seong-Min Kim1 , Tsogchuluun Davaadorj2 , and Ho-Seok Jeon1

1Mineral Resources Division, Korea Institute of Geoscience & Mineral Resources
2Resources Recycling, University of Science and Technology

Correspondence to:Ho-Seok Jeon, Mineral Resources Division, Korea Institute of Geoscience & Mineral Resources, 124, Gwahak-ro, Yuseong-gu, Daejeon 34132, Korea, E-mail: hsjeon@kigam.re.kr
Author information: Tsogchuluun Davaadorj (Graduate student)

Received: April 20, 2022; Revised: June 15, 2022; Accepted: June 16, 2022

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Wet fractionation techniques, which are conventional plant protein production methods, reduce the quality and functionality of protein ingredients. Tribo-electrostatic separation, which is a dry fractionation technique, can be a suitable alternative. In this study, the protein concentration potential of soybean powder through tribo-electrostatic separation was evaluated. Metal charging material showed a tendency to have a higher protein content and lower recovery than plastic. The charger length and applied voltage of the electrodes did not show any noticeable changes and trends. Nitrogen (N2) gas and charger internal diameter were related to the gas velocity in the pipeline, and as the gas velocity increased, the protein content increased and the recovery decreased. The removal of fat had a positive effect on separation efficiency. The increase in the protein concentration from full-fat soybean powder was 1∼4%, whereas that of de-fatted (about 30%) soybean power was 4∼6%. In conclusion, the removal of fat, which affects particle aggregation and particle dispersion, is considered an important condition for protein concentration through tribo-electrostatic separation.

Keywords: soybean power, protein concentration, tribo-electrostatic separation, charger, charging material

식물 재료(plant material)는 보통 탄수화물, 단백질, 리그닌, 회분, 지질 및 폴리페놀 등으로 구성되어 있다. 이러한 식물 재료를 대상으로 한 단백질 농축은 단백질 변성 및 용해도 손실이 발생하는 고비용의 습식 공정(wet fractionation process: pulping, hydrolysis, solvent extraction, steam and ammonia explosion, ionic liquid 등)을 기반으로 한다(Barakat과 Mayer-Laigle, 2017). 즉, 단백질의 고유 기능이 완전히 보존되지 않을 뿐만 아니라 많은 양의 에너지와 물 또는 용매가 필요해 환경오염 및 처리 비용을 증가시킨다(Schutyser와 van der Goot, 2011). 따라서 식물 재료의 단백질 농축을 위한 건식 공정(dry fractionation process)은 습식 공정의 대안이 될 수 있으며 많은 연구가 이루어지고 있다(Barakat과 Mayer-Laigle, 2017; Tabtabaei 등, 2019; Xing 등, 2020).

정전선별은 입자의 유전상수, 전기전도도, 접촉 전위차 등과 같은 전기적 물성차를 이용한다. 입자에 전하를 띄게 한 후 고전압의 전기장 내로 투입하여 정전기적 인력이나 척력에 의해 분리하는 방법이다. 지금까지는 주로 정전유도형(induced type)이나 코로나방전형(corona discharge type)이 광물의 선광(beneficiation)과 폐기물의 재활용에 활용되었다. 그러나 최근에는 비전도체 입자의 선별을 위해 입자의 표면전하 특성을 이용한 마찰하전형(tribo type)의 연구가 많이 진행되고 있다(Manouchehri 등, 2000). 이러한 마찰하전 정전선별은 식품 재료의 선별에까지 확대되고 있으며, 식물성 단백질 생산을 위한 친환경 기술로 부상하고 있다(Wang 등, 2016).

마찰하전은 전기적으로 중성인 물질이 충돌/마찰 시 전자를 잃거나 얻는 과정에서 발생하는 현상이다. 마찰하전에서 전자 이동의 일반적인 이론은 입자가 서로 다른 입자 혹은 표면에 충돌/마찰하게 되면 두 입자의 일함수 값(work function)의 차이에 의해 Fermi-level이 같아지는 방향으로 전자의 이동이 있게 된다. 충돌/마찰 후 입자가 표면에서 분리되면 전자의 과잉 또는 부족 현상이 생기므로 입자는 양(positive) 혹은 음(negative)으로 하전된다. 즉, 일함수 값이 큰 입자는 전자를 얻어 음으로, 작은 입자는 전자를 잃어 양으로 하전된다. 이렇게 서로 반대 극성으로 하전된 입자들을 높은 전압이 흐르는 전기장 내로 통과시키면 양으로 하전된 입자는 음 전극(negative electrode)으로 이동하게 되고, 이와 반대로 음으로 하전된 입자는 양 전극(positive electrode)으로 이동되어 각각 분리가 이루어지게 된다(Manouchehri 등, 2000; Kelly와 Spottiswood, 1989; Lungu, 2004; Gajewski, 1984).

본 연구에서는 국내 P사에서 제공한 전지방(full-fat) 및 일부 지방이 제거된 대두 분말(soybean power)을 대상으로 마찰하전 정전선별을 적용하여 단백질 농축 가능성을 확인하였다. 기술적 요소, 최적 선별조건 등을 규명하기 위하여 다양한 조건별로 선별효율을 확인하였으며, 마찰하전 정전선별을 통한 대두의 단백질 농축 가능성을 평가하였다.

시료의 특성

본 연구에서는 국내 P사에서 제공한 전지방 및 일부 지방이 제거된 대두 분말을 대상으로 마찰하전 정전선별을 수행하였다. Table 1은 본 연구에 사용된 시료를 나타낸 것으로, 조건변화 실험은 전지방 대두 분말인 TPE 1번 시료로 수행하였다. TPE 2 시료는 일부 지방이 제거된 대두 분말로, 지방 제거가 마찰하전 정전선별에 미치는 영향을 관찰하였다. TPE 1 시료의 단백질 함량은 42.35%(dry base, 이하 화합물 함량은 dry base)이며, 지방이 일부 제거된 TPE 2 시료는 45.86%이다. 마찰하전 정전선별에 영향을 미칠 것으로 판단되는 TPE 1과 2 시료의 지방 함량은 각각 16.07%와 17.89%이며, 평균입도(d50)는 약 20 μm이다.

Table 1 . Sample characteristics for tribo-electrostatic separation

SampleComposition (w.%, dry base)Particle size (μm, d50)Remarks
ProteinFatFiberStarch
TPE 142.3520.2416.077.0320.8
TPE 245.8614.3217.897.6319.7defatted


실험방법

Fig. 1은 대두 분말의 단백질 농축을 위해 제작한 horizontal type의 마찰하전 정전선별 장치를 나타낸 것이다. 마찰하전 정전선별에서 마찰하전 현상은 마찰하전 장치 내에서 입자와 입자 또는 입자와 표면과의 충돌/마찰에 의해 발생하므로 하전재질(charging material)과 방식에 따라 하전 발생구조와 크기가 달라질 수 있다(Higashiyama와 Asano, 1998). 이번 연구에서는 다양한 재질의 pipe line 하전장치(charger)에 질소 가스와 함께 입자를 투입하여 하전을 발생시켰다. 입자의 분리가 이루어지는 선별부는 60(W)×40(D)×25(H) cm 크기의 아크릴 상자, 하전된 입자의 편향을 일으키는 양과 음 전극은 40(W)×15(D) cm 크기의 스테인리스 스틸로 제작되었으며, 각각 양과 음의 power supply에 연결되었다. 이번에 제작된 마찰하전 정전선별 장치의 경우, 대두의 단백질 농축 가능성을 평가하기 위해 제작되어 단백질 회수율(recovery)보다는 단백질 함량(content)을 높이는 것에 주안점을 두었다.

Fig. 1. Tribo-electrostatic separation equipment designed for this study.

실험방법은 시료를 pipe line 하전장치 내부에 질소 가스와 함께 투입하여 충돌/마찰시킨 후, 하전된 입자를 고전압의 전기장으로 이동시켜 분리하였다. 분리된 시료의 회수는 전극에 부착된 입자로 한정하였으며, 음 전극에서 회수된 산물의 단백질 분석(Kjeldahl method)을 통해 분리효율을 확인하였다. 이번 연구에서는 하전재질, 전극의 전압 세기, 질소 가스의 속도 등 실험조건을 변화하면서 최적 선별조건 및 분리효율을 확인하였다. Table 2는 실험조건을 나타낸 것이며, 양과 음 전극 사이의 거리와 시료의 투입량은 각각 4 cm와 10 g으로 고정하고 실험을 수행하였다.

Table 2 . Factor and level for tribo-electrostatic separation

FactorUnitLevel
Material of pipe (charger)Cu, Al, SS, PMMA, PVC, PP, PE, PTFE1)
Internal diameter of pipe (charger)mm10, 12, 15, 16, 20
Length of pipe (charger)cm25, 50, 100, 200
N2 gas rateL/min100, 150, 180
Applied voltage to plates±kV1, 3, 5

1)Cu: copper, Al: aluminum, SS: stainless steel, PMMA: polymethyl methacrylate, PVC: polyvinyl chloride, PP: polypropylene, PE: polyethylene, PTFE: polytetrafluoroethylene.



Tabtabaei 등(2016b), Wang 등(2014), Hemery 등(2009)의 연구에 따르면 식물 재료에서 유래하는 단백질은 식이섬유나 전분에 비해 일함수 값이 상대적으로 낮다. 따라서 마찰하전 정전선별을 이용한 재질 분리 실험에서 대두 단백질은 양으로 하전되어 음 전극에서, 식이섬유와 전분은 음으로 하전되어 양 전극에서 회수될 것으로 예상된다. 그러므로 선별효율은 음 전극에서 회수된 산물의 단백질 함량을 기반으로 평가되었다. 또한 이때 회수율이 계산되었으며 아래 식과 같다.

Npr=Nw×NpcRpc

여기에서 Npr은 음 전극에 회수된 산물의 단백질 회수율, Nw는 음 전극에 회수된 산물의 무게비, Npc는 음 전극에 회수된 산물의 단백질 함량, Rpc는 원 시료(raw sample)의 단백질 함량이다.

Fig. 2는 1 m 길이의 구리를 하전재질로 사용했을 때 양과 음 전극에 부착된 산물을 나타낸 것이다. 양 전극에 비해 음 전극에서 회수된 산물이 많은 것을 확인할 수 있으며, 이는 모든 실험에서 동일하게 나타나는 현상이다. 단백질의 경우 아미노기(N-terminus amino group), 카르복실기(C-terminus carboxyl group) 등 이온화 가능한 작용기들을 가지고 있다. 따라서 대두에 존재하는 다른 화합물(식이섬유, 전분 등)에 비해 하전이 효과적이기 때문으로 생각된다(Tabtabaei 등, 2016b).

Fig. 2. Photo of products attached to positive & negative electrodes.

하전재질

Fig. 3은 대두의 단백질 농축을 위한 마찰하전 정전선별에서 하전재질(PTFE, PVC, PP, PE, PMMA, 구리, 알루미늄, 스테인리스 스틸)이 선별효율에 미치는 영향을 관찰한 것으로, 모든 재질의 내경은 20 mm, 길이는 1 m였다. 관내에 공급되는 질소 가스의 양은 180 L/min, 전극의 세기는 ±5 kV의 조건에서 하전재질에 따른 선별효율을 확인하였다. 실험 결과, 금속 하전재질이 플라스틱 하전재질보다 상대적으로 단백질 함량이 높고 회수율은 낮은 경향을 보였다. 단백질 함량의 경우 구리 하전재질에서 44.84%로 가장 높았으나, 회수율은 PTFE 하전재질에서 36.79%로 가장 높았으며 금속 하전재질에서 10.59~12.62%로 낮았다. 이는 고분자 물질인 플라스틱이 금속보다 단백질의 하전에 효과적이기 때문으로 생각된다. 특히, PTFE와 PVC는 Park 등(2008), Diaz와 Felix-Navarro(2004)의 연구에서 대전서열(tribo-series)이 극단에 있는 물질로 단백질의 하전이 상대적으로 높아 단백질 회수율이 높은 것으로 생각된다.

Fig. 3. Effect of charging materials on separation efficiency. Conditions: ±5 kV applied voltage to plates, 20 mm internal diameter of charger, 1 m length of charger, 180 L/min N2 gas rate.

하전장치의 길이

마찰하전 정전선별에서 입자의 하전을 발생시키는 하전장치에서의 체류시간이 길어질수록 하전량은 증가한다(Tabtabaei 등, 2016a). Fig. 4는 하전장치에서의 체류시간 변화를 위하여 하전장치로 사용된 pipe line의 길이를 변화하며 선별효율을 관찰한 결과이다. PVC, PP 그리고 PE pipeline(내경: 20 mm)의 길이를 25, 50, 100, 200 cm로 변화하였으며, 질소 가스의 양 180 L/min, 전극의 세기 ±5 kV의 조건에서 선별효율을 확인하였다. 실험 결과, 모든 재질에서 단백질의 함량 및 회수율의 주목할 만한 변화와 경향을 확인할 수 없었다. 즉, 세 재질 모두 하전장치의 길이가 길어져 체류시간이 길어지더라도 단백질 함량 및 회수율에 증가는 없었으며, 경향을 확인할 수 없었다. 이는 이온화 가능한 작용기들과 시료의 평균 입도(d50)가 약 20 μm의 미립자로 비표면적이 넓기 때문에 하전장치의 길이가 가장 짧은 25 cm에서도 단백질의 하전은 충분한 것으로 판단된다.

Fig. 4. Effect of charger length on separation efficiency. A: PVC charger, B: PP charger, C: PE charger. Conditions: ±5 kV applied voltage to plates, 20 mm internal diameter of charger, 180 L/min N2 gas rate.

전압의 세기

Fig. 5는 전극의 전압 세기가 선별효율에 미치는 영향을 확인하기 위하여 전압 세기를 ±1, 3, 5 kV(5 kV는 고정된 양과 음 전극 사이의 거리 4 cm에서 spark가 발생하지 않는 최대전압)로 변화하며 실험한 결과이다. 실험에 사용된 하전재질은 금속(구리, 알루미늄, 스테인리스 스틸)으로 길이 1 m, 내경 20 mm였으며, 질소 가스의 양은 180 L/min이었다. 실험 결과, 전압 세기의 변화는 모든 재질에서 단백질 함량에 큰 영향을 미치지 않았다. 구리 하전재질에서 44.84~45.27%, 알루미늄 44.21~44.49%, 스테인리스 스틸 43.88~44.30%로 전압 세기와 관계없이 소폭 증감하였다. 그러나 회수율은 전압 세기가 클수록 증가하는 경향을 보여 전압 세기는 spark가 발생하지 않는 범위에서 클수록 효과적이라고 판단된다. 이처럼 전압 세기가 마찰하전 정전선별에 영향을 미치는 이유는 하전된 입자들의 하전량이 nC 단위로 미미하여 이 입자들을 전극 쪽으로 끌어당기기 위해서는 높은 에너지가 필요하기 때문이다(Silveira 등, 2018).

Fig. 5. Effect of applied voltage on separation efficiency. A: Copper charger, B: Aluminum charger, C: Stainless steel charger. Conditions: 20 mm internal diameter of charger, 1 m length of charger, 180 L/min N2 gas rate.

질소 가스의 양

Fig. 6은 마찰하전 정전선별에서 시료를 전기장으로 이송하고 하전을 일으키는 질소 가스의 양이 선별효율에 미치는 영향을 확인하기 위하여 pipe line 내에 공급되는 질소 가스의 양을 100 L/min에서 180 L/min까지 변화하며 실험한 결과이다. 실험에 사용된 하전재질은 금속(구리, 알루미늄, 스테인리스 스틸)으로 길이 1 m, 내경 20 mm였으며, 전극의 세기를 ±5 kV로 고정하고 실험을 수행하였다. 실험 결과, 모든 재질에서 질소 가스의 양이 많아질수록 단백질 함량은 증가하고 회수율은 감소하는 경향을 확인하였다. 이처럼 질소 가스의 양이 선별효율에 영향을 미치는 이유는 관내에 공급되는 가스의 속도와 관련이 있다. 질소 가스의 양이 많아질수록 관내에 공급되는 가스의 속도가 빨라져 외부 에너지가 증가한다. 따라서 관내 시료의 운동에너지도 증가하게 되어 하전장치 내벽과 입자 간 그리고 입자와 입자 간의 충돌 횟수와 강도가 증가하기 때문이다(Park 등, 2007; Wang 등, 2014). 시료의 충돌 횟수와 강도가 증가하면 전자의 이동이 활발해져 입자의 표면 하전량도 증가한다. 이렇게 하전량이 증가한 입자는 전기장에서 쉽게 전극 쪽으로 편향될 수 있다. 또한 이번 연구에 사용된 대두 분말의 경우 일정량의 수분과 지방을 포함하고 있으며 평균 입도(d50)가 약 20 μm의 미립자로 응집(agglomeration)이 쉽게 발생할 수 있는 조건을 갖추고 있다. 따라서 관내의 가스 속도 증가는 응집된 입자의 분산(dispersion)에 영향을 주어 단백질 농축에 긍정적인 영향을 주는 것으로 판단된다(Tabtabaei 등, 2016b). 반면, 가스의 속도가 빨라지면 입자의 하전량은 높일 수 있으나, 전기장 내에서 체류시간이 짧고 관내의 난류(turbulence) 발생으로 단백질 회수에 부정적인 영향을 미치는 것으로 판단된다(Tabtabaei 등, 2017).

Fig. 6. Effect of N2 gas rate on separation efficiency. A: Copper charger, B: Aluminum charger, C: Stainless steel charger. Conditions: ±5 kV applied voltage to plates, 20 mm internal diameter of charger, 1 m length of charger.

하전장치의 내경

Fig. 7은 하전장치로 사용된 pipe line의 내경이 선별효율에 미치는 영향을 확인하기 위하여 내경을 10 mm에서 20 mm까지 변화하며 실험한 결과이다. 다양한 플라스틱(PVC, PP, PE) 및 금속(구리, 알루미늄, 스테인리스 스틸) 하전재질(길이 1 m)이 사용되었으며, 질소 가스의 양은 180 L/min, 전극의 세기는 ±5 kV로 고정하고 실험을 수행하였다. 실험 결과, 모든 재질에서 내경이 작아질수록 단백질 함량은 증가하고 회수율은 감소하는 것을 알 수 있다. 이처럼 pipe line의 내경이 선별효율에 영향을 미치는 이유는 관내에 공급되는 질소 가스의 양과 같이 가스의 속도와 관련이 있다. 같은 가스의 양이라면 내경이 작아질수록 가스 속도가 빨라지기 때문이다. 따라서 하전장치로 사용된 pipe line의 내경도 관내에 공급되는 질소 가스의 양과 같은 이유로 선별효율에 영향을 미친다. 단백질 농축 측면에서는 플라스틱보다 금속이 효과적이었으며, 내경 12 mm의 구리 재질에서 단백질 함량 46.36%로 최대로 농축되어 원 시료에 비해 약 4% 증가한 결과를 얻었다.

Fig. 7. Effect of charger internal diameter on separation efficiency. A: Copper charger, B: Aluminum charger, C: Stainless steel charger, D: Plastics (PVC16: PVC of 16 mm internal diameter, etc.). Conditions: ±5 kV applied voltage to plates, 1 m length of charger, 180 L/min N2 gas rate.

TPE 2 시료(defatted)

TPE 2 시료는 지방 제거가 마찰하전 정전선별에 미치는 영향을 관찰하기 위해 지방이 약 30% 제거되었으며, 단백질 함량은 45.86%이다. Fig. 8은 TPE 2 시료의 실험 결과를 나타낸 것으로 다양한 재질 및 내경의 pipe line(길이 1 m)이 사용되었으며, 질소 가스의 양은 180 L/min, 전극의 세기는 ±5 kV로 고정하고 실험을 수행하였다. 실험 결과, TPE 1 시료와 유사한 경향을 확인하였다. 즉, 금속 하전재질이 플라스틱 하전재질보다 상대적으로 단백질 함량이 높고 회수율은 낮은 경향을 보였으며, pipe line의 내경이 작아질수록 단백질 함량은 증가하고 회수율은 감소하였다. 그러나 선별효율은 TPE 1 시료에 비해 상대적으로 높은 것을 알 수 있다. TPE 1 시료의 단백질 증가율은 1~4%지만, TPE 2 시료의 단백질 증가율은 4~6% 수준이다. 회수율 또한 TPE 1 시료에 비해 전체적으로 향상되었으며, 구리(내경 20 mm) 재질은 약 15%까지 증가하였다. 이는 시료에 존재하는 지방이 입자의 하전, 응집 및 분산에 영향을 주기 때문으로 생각되며, 지방의 제거는 단백질의 농축 및 회수에 긍정적이라는 것을 확인하였다. TPE 2 시료는 단백질 함량 51.39%로 내경 12 mm의 알루미늄 재질에서 최대로 농축되었다.

Fig. 8. Test result of tribo-electrostatic separation for TPE 2 sample. Conditions: ±5 kV applied voltage to plates, 1 m length of charger, 180 L/min N2 gas rate. PVC20: PVC of 20 mm internal diameter, etc.

본 연구에서는 대두 분말을 대상으로 마찰하전 정전선별을 적용하여 단백질 농축 가능성을 평가하였다. 모든 실험에서 금속 하전재질은 플라스틱 하전재질보다 상대적으로 단백질 함량이 높고 회수율은 낮은 경향을 보였다. 하전장치의 길이, 전극의 전압 세기는 주목할 만한 변화와 경향을 보이지 않아 선별효율에 영향을 미치는 인자들이 아니었다. 반면, 질소 가스의 양 및 하전장치 내경은 pipe line 내의 가스 속도와 관련이 있으며, 빨라질수록 단백질 함량은 증가하고 회수율은 감소하는 경향을 확인하였다. 대두에 존재하는 지방의 제거는 선별효율에 긍정적인 영향을 미쳤다. 전지방 대두 분말의 단백질 증가율은 1~4%지만, 지방이 약 30% 제거된 대두 분말의 단백질 증가율은 4~6% 수준이었으며, 회수율은 전체적으로 향상되었다. 대두 분말은 일정량의 수분과 비장을 포함하는 미립자로 응집이 쉽게 발생할 수 있는 조건을 갖추고 있다. 따라서 입자의 응집에 영향을 주는 지방과 수분 제거의 전처리와 입자의 분산은 마찰하전 정전선별을 통한 대두의 단백질 농축에 중요한 조건으로 판단된다.

본 연구는 한국지질자원연구원 주요사업인 ‘국내 부존 바나듐(V) 광물자원 선광/제련/활용기술 개발(GP2020-013, 22-3212)’ 과제의 일환으로 수행되었습니다.

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Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2022; 51(8): 836-844

Published online August 31, 2022 https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.8.836

Copyright © The Korean Society of Food Science and Nutrition.

대두 분말의 단백질 농축을 위한 마찰하전 정전선별 연구

백상호1․김성민1․Tsogchuluun Davaadorj2 ․전호석1

1한국지질자원연구원 광물자원연구본부
2과학기술연합대학원대학교 자원순환공학

Received: April 20, 2022; Revised: June 15, 2022; Accepted: June 16, 2022

Study on Tribo-Electrostatic Separation for Protein Concentration of Soybean Powder

Sang-Ho Baek1 , Seong-Min Kim1 , Tsogchuluun Davaadorj2 , and Ho-Seok Jeon1

1Mineral Resources Division, Korea Institute of Geoscience & Mineral Resources
2Resources Recycling, University of Science and Technology

Correspondence to:Ho-Seok Jeon, Mineral Resources Division, Korea Institute of Geoscience & Mineral Resources, 124, Gwahak-ro, Yuseong-gu, Daejeon 34132, Korea, E-mail: hsjeon@kigam.re.kr
Author information: Tsogchuluun Davaadorj (Graduate student)

Received: April 20, 2022; Revised: June 15, 2022; Accepted: June 16, 2022

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract

Wet fractionation techniques, which are conventional plant protein production methods, reduce the quality and functionality of protein ingredients. Tribo-electrostatic separation, which is a dry fractionation technique, can be a suitable alternative. In this study, the protein concentration potential of soybean powder through tribo-electrostatic separation was evaluated. Metal charging material showed a tendency to have a higher protein content and lower recovery than plastic. The charger length and applied voltage of the electrodes did not show any noticeable changes and trends. Nitrogen (N2) gas and charger internal diameter were related to the gas velocity in the pipeline, and as the gas velocity increased, the protein content increased and the recovery decreased. The removal of fat had a positive effect on separation efficiency. The increase in the protein concentration from full-fat soybean powder was 1∼4%, whereas that of de-fatted (about 30%) soybean power was 4∼6%. In conclusion, the removal of fat, which affects particle aggregation and particle dispersion, is considered an important condition for protein concentration through tribo-electrostatic separation.

Keywords: soybean power, protein concentration, tribo-electrostatic separation, charger, charging material

서 론

식물 재료(plant material)는 보통 탄수화물, 단백질, 리그닌, 회분, 지질 및 폴리페놀 등으로 구성되어 있다. 이러한 식물 재료를 대상으로 한 단백질 농축은 단백질 변성 및 용해도 손실이 발생하는 고비용의 습식 공정(wet fractionation process: pulping, hydrolysis, solvent extraction, steam and ammonia explosion, ionic liquid 등)을 기반으로 한다(Barakat과 Mayer-Laigle, 2017). 즉, 단백질의 고유 기능이 완전히 보존되지 않을 뿐만 아니라 많은 양의 에너지와 물 또는 용매가 필요해 환경오염 및 처리 비용을 증가시킨다(Schutyser와 van der Goot, 2011). 따라서 식물 재료의 단백질 농축을 위한 건식 공정(dry fractionation process)은 습식 공정의 대안이 될 수 있으며 많은 연구가 이루어지고 있다(Barakat과 Mayer-Laigle, 2017; Tabtabaei 등, 2019; Xing 등, 2020).

정전선별은 입자의 유전상수, 전기전도도, 접촉 전위차 등과 같은 전기적 물성차를 이용한다. 입자에 전하를 띄게 한 후 고전압의 전기장 내로 투입하여 정전기적 인력이나 척력에 의해 분리하는 방법이다. 지금까지는 주로 정전유도형(induced type)이나 코로나방전형(corona discharge type)이 광물의 선광(beneficiation)과 폐기물의 재활용에 활용되었다. 그러나 최근에는 비전도체 입자의 선별을 위해 입자의 표면전하 특성을 이용한 마찰하전형(tribo type)의 연구가 많이 진행되고 있다(Manouchehri 등, 2000). 이러한 마찰하전 정전선별은 식품 재료의 선별에까지 확대되고 있으며, 식물성 단백질 생산을 위한 친환경 기술로 부상하고 있다(Wang 등, 2016).

마찰하전은 전기적으로 중성인 물질이 충돌/마찰 시 전자를 잃거나 얻는 과정에서 발생하는 현상이다. 마찰하전에서 전자 이동의 일반적인 이론은 입자가 서로 다른 입자 혹은 표면에 충돌/마찰하게 되면 두 입자의 일함수 값(work function)의 차이에 의해 Fermi-level이 같아지는 방향으로 전자의 이동이 있게 된다. 충돌/마찰 후 입자가 표면에서 분리되면 전자의 과잉 또는 부족 현상이 생기므로 입자는 양(positive) 혹은 음(negative)으로 하전된다. 즉, 일함수 값이 큰 입자는 전자를 얻어 음으로, 작은 입자는 전자를 잃어 양으로 하전된다. 이렇게 서로 반대 극성으로 하전된 입자들을 높은 전압이 흐르는 전기장 내로 통과시키면 양으로 하전된 입자는 음 전극(negative electrode)으로 이동하게 되고, 이와 반대로 음으로 하전된 입자는 양 전극(positive electrode)으로 이동되어 각각 분리가 이루어지게 된다(Manouchehri 등, 2000; Kelly와 Spottiswood, 1989; Lungu, 2004; Gajewski, 1984).

본 연구에서는 국내 P사에서 제공한 전지방(full-fat) 및 일부 지방이 제거된 대두 분말(soybean power)을 대상으로 마찰하전 정전선별을 적용하여 단백질 농축 가능성을 확인하였다. 기술적 요소, 최적 선별조건 등을 규명하기 위하여 다양한 조건별로 선별효율을 확인하였으며, 마찰하전 정전선별을 통한 대두의 단백질 농축 가능성을 평가하였다.

재료 및 방법

시료의 특성

본 연구에서는 국내 P사에서 제공한 전지방 및 일부 지방이 제거된 대두 분말을 대상으로 마찰하전 정전선별을 수행하였다. Table 1은 본 연구에 사용된 시료를 나타낸 것으로, 조건변화 실험은 전지방 대두 분말인 TPE 1번 시료로 수행하였다. TPE 2 시료는 일부 지방이 제거된 대두 분말로, 지방 제거가 마찰하전 정전선별에 미치는 영향을 관찰하였다. TPE 1 시료의 단백질 함량은 42.35%(dry base, 이하 화합물 함량은 dry base)이며, 지방이 일부 제거된 TPE 2 시료는 45.86%이다. 마찰하전 정전선별에 영향을 미칠 것으로 판단되는 TPE 1과 2 시료의 지방 함량은 각각 16.07%와 17.89%이며, 평균입도(d50)는 약 20 μm이다.

Table 1 . Sample characteristics for tribo-electrostatic separation.

SampleComposition (w.%, dry base)Particle size (μm, d50)Remarks
ProteinFatFiberStarch
TPE 142.3520.2416.077.0320.8
TPE 245.8614.3217.897.6319.7defatted


실험방법

Fig. 1은 대두 분말의 단백질 농축을 위해 제작한 horizontal type의 마찰하전 정전선별 장치를 나타낸 것이다. 마찰하전 정전선별에서 마찰하전 현상은 마찰하전 장치 내에서 입자와 입자 또는 입자와 표면과의 충돌/마찰에 의해 발생하므로 하전재질(charging material)과 방식에 따라 하전 발생구조와 크기가 달라질 수 있다(Higashiyama와 Asano, 1998). 이번 연구에서는 다양한 재질의 pipe line 하전장치(charger)에 질소 가스와 함께 입자를 투입하여 하전을 발생시켰다. 입자의 분리가 이루어지는 선별부는 60(W)×40(D)×25(H) cm 크기의 아크릴 상자, 하전된 입자의 편향을 일으키는 양과 음 전극은 40(W)×15(D) cm 크기의 스테인리스 스틸로 제작되었으며, 각각 양과 음의 power supply에 연결되었다. 이번에 제작된 마찰하전 정전선별 장치의 경우, 대두의 단백질 농축 가능성을 평가하기 위해 제작되어 단백질 회수율(recovery)보다는 단백질 함량(content)을 높이는 것에 주안점을 두었다.

Fig 1. Tribo-electrostatic separation equipment designed for this study.

실험방법은 시료를 pipe line 하전장치 내부에 질소 가스와 함께 투입하여 충돌/마찰시킨 후, 하전된 입자를 고전압의 전기장으로 이동시켜 분리하였다. 분리된 시료의 회수는 전극에 부착된 입자로 한정하였으며, 음 전극에서 회수된 산물의 단백질 분석(Kjeldahl method)을 통해 분리효율을 확인하였다. 이번 연구에서는 하전재질, 전극의 전압 세기, 질소 가스의 속도 등 실험조건을 변화하면서 최적 선별조건 및 분리효율을 확인하였다. Table 2는 실험조건을 나타낸 것이며, 양과 음 전극 사이의 거리와 시료의 투입량은 각각 4 cm와 10 g으로 고정하고 실험을 수행하였다.

Table 2 . Factor and level for tribo-electrostatic separation.

FactorUnitLevel
Material of pipe (charger)Cu, Al, SS, PMMA, PVC, PP, PE, PTFE1)
Internal diameter of pipe (charger)mm10, 12, 15, 16, 20
Length of pipe (charger)cm25, 50, 100, 200
N2 gas rateL/min100, 150, 180
Applied voltage to plates±kV1, 3, 5

1)Cu: copper, Al: aluminum, SS: stainless steel, PMMA: polymethyl methacrylate, PVC: polyvinyl chloride, PP: polypropylene, PE: polyethylene, PTFE: polytetrafluoroethylene..



Tabtabaei 등(2016b), Wang 등(2014), Hemery 등(2009)의 연구에 따르면 식물 재료에서 유래하는 단백질은 식이섬유나 전분에 비해 일함수 값이 상대적으로 낮다. 따라서 마찰하전 정전선별을 이용한 재질 분리 실험에서 대두 단백질은 양으로 하전되어 음 전극에서, 식이섬유와 전분은 음으로 하전되어 양 전극에서 회수될 것으로 예상된다. 그러므로 선별효율은 음 전극에서 회수된 산물의 단백질 함량을 기반으로 평가되었다. 또한 이때 회수율이 계산되었으며 아래 식과 같다.

Npr=Nw×NpcRpc

여기에서 Npr은 음 전극에 회수된 산물의 단백질 회수율, Nw는 음 전극에 회수된 산물의 무게비, Npc는 음 전극에 회수된 산물의 단백질 함량, Rpc는 원 시료(raw sample)의 단백질 함량이다.

결과 및 고찰

Fig. 2는 1 m 길이의 구리를 하전재질로 사용했을 때 양과 음 전극에 부착된 산물을 나타낸 것이다. 양 전극에 비해 음 전극에서 회수된 산물이 많은 것을 확인할 수 있으며, 이는 모든 실험에서 동일하게 나타나는 현상이다. 단백질의 경우 아미노기(N-terminus amino group), 카르복실기(C-terminus carboxyl group) 등 이온화 가능한 작용기들을 가지고 있다. 따라서 대두에 존재하는 다른 화합물(식이섬유, 전분 등)에 비해 하전이 효과적이기 때문으로 생각된다(Tabtabaei 등, 2016b).

Fig 2. Photo of products attached to positive & negative electrodes.

하전재질

Fig. 3은 대두의 단백질 농축을 위한 마찰하전 정전선별에서 하전재질(PTFE, PVC, PP, PE, PMMA, 구리, 알루미늄, 스테인리스 스틸)이 선별효율에 미치는 영향을 관찰한 것으로, 모든 재질의 내경은 20 mm, 길이는 1 m였다. 관내에 공급되는 질소 가스의 양은 180 L/min, 전극의 세기는 ±5 kV의 조건에서 하전재질에 따른 선별효율을 확인하였다. 실험 결과, 금속 하전재질이 플라스틱 하전재질보다 상대적으로 단백질 함량이 높고 회수율은 낮은 경향을 보였다. 단백질 함량의 경우 구리 하전재질에서 44.84%로 가장 높았으나, 회수율은 PTFE 하전재질에서 36.79%로 가장 높았으며 금속 하전재질에서 10.59~12.62%로 낮았다. 이는 고분자 물질인 플라스틱이 금속보다 단백질의 하전에 효과적이기 때문으로 생각된다. 특히, PTFE와 PVC는 Park 등(2008), Diaz와 Felix-Navarro(2004)의 연구에서 대전서열(tribo-series)이 극단에 있는 물질로 단백질의 하전이 상대적으로 높아 단백질 회수율이 높은 것으로 생각된다.

Fig 3. Effect of charging materials on separation efficiency. Conditions: ±5 kV applied voltage to plates, 20 mm internal diameter of charger, 1 m length of charger, 180 L/min N2 gas rate.

하전장치의 길이

마찰하전 정전선별에서 입자의 하전을 발생시키는 하전장치에서의 체류시간이 길어질수록 하전량은 증가한다(Tabtabaei 등, 2016a). Fig. 4는 하전장치에서의 체류시간 변화를 위하여 하전장치로 사용된 pipe line의 길이를 변화하며 선별효율을 관찰한 결과이다. PVC, PP 그리고 PE pipeline(내경: 20 mm)의 길이를 25, 50, 100, 200 cm로 변화하였으며, 질소 가스의 양 180 L/min, 전극의 세기 ±5 kV의 조건에서 선별효율을 확인하였다. 실험 결과, 모든 재질에서 단백질의 함량 및 회수율의 주목할 만한 변화와 경향을 확인할 수 없었다. 즉, 세 재질 모두 하전장치의 길이가 길어져 체류시간이 길어지더라도 단백질 함량 및 회수율에 증가는 없었으며, 경향을 확인할 수 없었다. 이는 이온화 가능한 작용기들과 시료의 평균 입도(d50)가 약 20 μm의 미립자로 비표면적이 넓기 때문에 하전장치의 길이가 가장 짧은 25 cm에서도 단백질의 하전은 충분한 것으로 판단된다.

Fig 4. Effect of charger length on separation efficiency. A: PVC charger, B: PP charger, C: PE charger. Conditions: ±5 kV applied voltage to plates, 20 mm internal diameter of charger, 180 L/min N2 gas rate.

전압의 세기

Fig. 5는 전극의 전압 세기가 선별효율에 미치는 영향을 확인하기 위하여 전압 세기를 ±1, 3, 5 kV(5 kV는 고정된 양과 음 전극 사이의 거리 4 cm에서 spark가 발생하지 않는 최대전압)로 변화하며 실험한 결과이다. 실험에 사용된 하전재질은 금속(구리, 알루미늄, 스테인리스 스틸)으로 길이 1 m, 내경 20 mm였으며, 질소 가스의 양은 180 L/min이었다. 실험 결과, 전압 세기의 변화는 모든 재질에서 단백질 함량에 큰 영향을 미치지 않았다. 구리 하전재질에서 44.84~45.27%, 알루미늄 44.21~44.49%, 스테인리스 스틸 43.88~44.30%로 전압 세기와 관계없이 소폭 증감하였다. 그러나 회수율은 전압 세기가 클수록 증가하는 경향을 보여 전압 세기는 spark가 발생하지 않는 범위에서 클수록 효과적이라고 판단된다. 이처럼 전압 세기가 마찰하전 정전선별에 영향을 미치는 이유는 하전된 입자들의 하전량이 nC 단위로 미미하여 이 입자들을 전극 쪽으로 끌어당기기 위해서는 높은 에너지가 필요하기 때문이다(Silveira 등, 2018).

Fig 5. Effect of applied voltage on separation efficiency. A: Copper charger, B: Aluminum charger, C: Stainless steel charger. Conditions: 20 mm internal diameter of charger, 1 m length of charger, 180 L/min N2 gas rate.

질소 가스의 양

Fig. 6은 마찰하전 정전선별에서 시료를 전기장으로 이송하고 하전을 일으키는 질소 가스의 양이 선별효율에 미치는 영향을 확인하기 위하여 pipe line 내에 공급되는 질소 가스의 양을 100 L/min에서 180 L/min까지 변화하며 실험한 결과이다. 실험에 사용된 하전재질은 금속(구리, 알루미늄, 스테인리스 스틸)으로 길이 1 m, 내경 20 mm였으며, 전극의 세기를 ±5 kV로 고정하고 실험을 수행하였다. 실험 결과, 모든 재질에서 질소 가스의 양이 많아질수록 단백질 함량은 증가하고 회수율은 감소하는 경향을 확인하였다. 이처럼 질소 가스의 양이 선별효율에 영향을 미치는 이유는 관내에 공급되는 가스의 속도와 관련이 있다. 질소 가스의 양이 많아질수록 관내에 공급되는 가스의 속도가 빨라져 외부 에너지가 증가한다. 따라서 관내 시료의 운동에너지도 증가하게 되어 하전장치 내벽과 입자 간 그리고 입자와 입자 간의 충돌 횟수와 강도가 증가하기 때문이다(Park 등, 2007; Wang 등, 2014). 시료의 충돌 횟수와 강도가 증가하면 전자의 이동이 활발해져 입자의 표면 하전량도 증가한다. 이렇게 하전량이 증가한 입자는 전기장에서 쉽게 전극 쪽으로 편향될 수 있다. 또한 이번 연구에 사용된 대두 분말의 경우 일정량의 수분과 지방을 포함하고 있으며 평균 입도(d50)가 약 20 μm의 미립자로 응집(agglomeration)이 쉽게 발생할 수 있는 조건을 갖추고 있다. 따라서 관내의 가스 속도 증가는 응집된 입자의 분산(dispersion)에 영향을 주어 단백질 농축에 긍정적인 영향을 주는 것으로 판단된다(Tabtabaei 등, 2016b). 반면, 가스의 속도가 빨라지면 입자의 하전량은 높일 수 있으나, 전기장 내에서 체류시간이 짧고 관내의 난류(turbulence) 발생으로 단백질 회수에 부정적인 영향을 미치는 것으로 판단된다(Tabtabaei 등, 2017).

Fig 6. Effect of N2 gas rate on separation efficiency. A: Copper charger, B: Aluminum charger, C: Stainless steel charger. Conditions: ±5 kV applied voltage to plates, 20 mm internal diameter of charger, 1 m length of charger.

하전장치의 내경

Fig. 7은 하전장치로 사용된 pipe line의 내경이 선별효율에 미치는 영향을 확인하기 위하여 내경을 10 mm에서 20 mm까지 변화하며 실험한 결과이다. 다양한 플라스틱(PVC, PP, PE) 및 금속(구리, 알루미늄, 스테인리스 스틸) 하전재질(길이 1 m)이 사용되었으며, 질소 가스의 양은 180 L/min, 전극의 세기는 ±5 kV로 고정하고 실험을 수행하였다. 실험 결과, 모든 재질에서 내경이 작아질수록 단백질 함량은 증가하고 회수율은 감소하는 것을 알 수 있다. 이처럼 pipe line의 내경이 선별효율에 영향을 미치는 이유는 관내에 공급되는 질소 가스의 양과 같이 가스의 속도와 관련이 있다. 같은 가스의 양이라면 내경이 작아질수록 가스 속도가 빨라지기 때문이다. 따라서 하전장치로 사용된 pipe line의 내경도 관내에 공급되는 질소 가스의 양과 같은 이유로 선별효율에 영향을 미친다. 단백질 농축 측면에서는 플라스틱보다 금속이 효과적이었으며, 내경 12 mm의 구리 재질에서 단백질 함량 46.36%로 최대로 농축되어 원 시료에 비해 약 4% 증가한 결과를 얻었다.

Fig 7. Effect of charger internal diameter on separation efficiency. A: Copper charger, B: Aluminum charger, C: Stainless steel charger, D: Plastics (PVC16: PVC of 16 mm internal diameter, etc.). Conditions: ±5 kV applied voltage to plates, 1 m length of charger, 180 L/min N2 gas rate.

TPE 2 시료(defatted)

TPE 2 시료는 지방 제거가 마찰하전 정전선별에 미치는 영향을 관찰하기 위해 지방이 약 30% 제거되었으며, 단백질 함량은 45.86%이다. Fig. 8은 TPE 2 시료의 실험 결과를 나타낸 것으로 다양한 재질 및 내경의 pipe line(길이 1 m)이 사용되었으며, 질소 가스의 양은 180 L/min, 전극의 세기는 ±5 kV로 고정하고 실험을 수행하였다. 실험 결과, TPE 1 시료와 유사한 경향을 확인하였다. 즉, 금속 하전재질이 플라스틱 하전재질보다 상대적으로 단백질 함량이 높고 회수율은 낮은 경향을 보였으며, pipe line의 내경이 작아질수록 단백질 함량은 증가하고 회수율은 감소하였다. 그러나 선별효율은 TPE 1 시료에 비해 상대적으로 높은 것을 알 수 있다. TPE 1 시료의 단백질 증가율은 1~4%지만, TPE 2 시료의 단백질 증가율은 4~6% 수준이다. 회수율 또한 TPE 1 시료에 비해 전체적으로 향상되었으며, 구리(내경 20 mm) 재질은 약 15%까지 증가하였다. 이는 시료에 존재하는 지방이 입자의 하전, 응집 및 분산에 영향을 주기 때문으로 생각되며, 지방의 제거는 단백질의 농축 및 회수에 긍정적이라는 것을 확인하였다. TPE 2 시료는 단백질 함량 51.39%로 내경 12 mm의 알루미늄 재질에서 최대로 농축되었다.

Fig 8. Test result of tribo-electrostatic separation for TPE 2 sample. Conditions: ±5 kV applied voltage to plates, 1 m length of charger, 180 L/min N2 gas rate. PVC20: PVC of 20 mm internal diameter, etc.

요 약

본 연구에서는 대두 분말을 대상으로 마찰하전 정전선별을 적용하여 단백질 농축 가능성을 평가하였다. 모든 실험에서 금속 하전재질은 플라스틱 하전재질보다 상대적으로 단백질 함량이 높고 회수율은 낮은 경향을 보였다. 하전장치의 길이, 전극의 전압 세기는 주목할 만한 변화와 경향을 보이지 않아 선별효율에 영향을 미치는 인자들이 아니었다. 반면, 질소 가스의 양 및 하전장치 내경은 pipe line 내의 가스 속도와 관련이 있으며, 빨라질수록 단백질 함량은 증가하고 회수율은 감소하는 경향을 확인하였다. 대두에 존재하는 지방의 제거는 선별효율에 긍정적인 영향을 미쳤다. 전지방 대두 분말의 단백질 증가율은 1~4%지만, 지방이 약 30% 제거된 대두 분말의 단백질 증가율은 4~6% 수준이었으며, 회수율은 전체적으로 향상되었다. 대두 분말은 일정량의 수분과 비장을 포함하는 미립자로 응집이 쉽게 발생할 수 있는 조건을 갖추고 있다. 따라서 입자의 응집에 영향을 주는 지방과 수분 제거의 전처리와 입자의 분산은 마찰하전 정전선별을 통한 대두의 단백질 농축에 중요한 조건으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 한국지질자원연구원 주요사업인 ‘국내 부존 바나듐(V) 광물자원 선광/제련/활용기술 개발(GP2020-013, 22-3212)’ 과제의 일환으로 수행되었습니다.

Fig 1.

Fig 1.Tribo-electrostatic separation equipment designed for this study.
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2022; 51: 836-844https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.8.836

Fig 2.

Fig 2.Photo of products attached to positive & negative electrodes.
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2022; 51: 836-844https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.8.836

Fig 3.

Fig 3.Effect of charging materials on separation efficiency. Conditions: ±5 kV applied voltage to plates, 20 mm internal diameter of charger, 1 m length of charger, 180 L/min N2 gas rate.
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2022; 51: 836-844https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.8.836

Fig 4.

Fig 4.Effect of charger length on separation efficiency. A: PVC charger, B: PP charger, C: PE charger. Conditions: ±5 kV applied voltage to plates, 20 mm internal diameter of charger, 180 L/min N2 gas rate.
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2022; 51: 836-844https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.8.836

Fig 5.

Fig 5.Effect of applied voltage on separation efficiency. A: Copper charger, B: Aluminum charger, C: Stainless steel charger. Conditions: 20 mm internal diameter of charger, 1 m length of charger, 180 L/min N2 gas rate.
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2022; 51: 836-844https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.8.836

Fig 6.

Fig 6.Effect of N2 gas rate on separation efficiency. A: Copper charger, B: Aluminum charger, C: Stainless steel charger. Conditions: ±5 kV applied voltage to plates, 20 mm internal diameter of charger, 1 m length of charger.
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2022; 51: 836-844https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.8.836

Fig 7.

Fig 7.Effect of charger internal diameter on separation efficiency. A: Copper charger, B: Aluminum charger, C: Stainless steel charger, D: Plastics (PVC16: PVC of 16 mm internal diameter, etc.). Conditions: ±5 kV applied voltage to plates, 1 m length of charger, 180 L/min N2 gas rate.
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2022; 51: 836-844https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.8.836

Fig 8.

Fig 8.Test result of tribo-electrostatic separation for TPE 2 sample. Conditions: ±5 kV applied voltage to plates, 1 m length of charger, 180 L/min N2 gas rate. PVC20: PVC of 20 mm internal diameter, etc.
Journal of the Korean Society of Food Science and Nutrition 2022; 51: 836-844https://doi.org/10.3746/jkfn.2022.51.8.836

Table 1 . Sample characteristics for tribo-electrostatic separation.

SampleComposition (w.%, dry base)Particle size (μm, d50)Remarks
ProteinFatFiberStarch
TPE 142.3520.2416.077.0320.8
TPE 245.8614.3217.897.6319.7defatted

Table 2 . Factor and level for tribo-electrostatic separation.

FactorUnitLevel
Material of pipe (charger)Cu, Al, SS, PMMA, PVC, PP, PE, PTFE1)
Internal diameter of pipe (charger)mm10, 12, 15, 16, 20
Length of pipe (charger)cm25, 50, 100, 200
N2 gas rateL/min100, 150, 180
Applied voltage to plates±kV1, 3, 5

1)Cu: copper, Al: aluminum, SS: stainless steel, PMMA: polymethyl methacrylate, PVC: polyvinyl chloride, PP: polypropylene, PE: polyethylene, PTFE: polytetrafluoroethylene..


References

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