KR100425255B1 - 방전감쇄진동파를 이용한 비열 살균 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 외부로부터 인가되는 스위칭제어신호에 따라 개폐되어 살균처리용기로 고전압의 펄스를 발생하여 식음료를 살균 처리하는 장치에 있어서, 직류안정화 전원을 발생하는 직류 전원전압과, 상기 전원전압과 직렬 연결되며 전원전압으로부터 출력되는 직류전원의 방전전류를 제한하는 제 1 저항과, 상기 제 1 저항과 병렬 연결되어 제 1 저항을 통해 인가되는 전원을 충전하는 콘덴서와, 상기 제 1 저항과 직렬 연결되고 외부 제어신호에 따라 개폐되어 콘덴서의 직류전원을 충방전시키는 스위칭수단과, 상기 스위칭수단과 직렬 연결되며 스위칭수단을 전류통로를 통해 인가되는 임펄스 파형을 감쇄 진동시키는 코일, 및 상기 코일과 병렬 연결되어 코일을 통해 인가되는 진동파를 살균처리용기의 고압전극으로 방전시켜 식음료를 살균하는 제 2 저항,을 구비하여 입력 직류전원을 감쇄진동파로 변형하여 살균 처리함으로써, 살균처리시 온도의 상승이 없어 식품의 저온 처리가 가능하여 식품의 열화를 방지할 수 있고, 또한 동일한 전원전압에서 최대의 살균 효과를 얻을 수 있음과 아울러 감쇄진동파로 인해 에너지 효율을 보다 더 극대화시킬 수 있는 방전감쇄진동파를 이용한 비열 살균 장치를 제공한다.
Description
본 발명은 비열 살균 장치에 관한 것으로, 특히 RLC 파라미터를 조정하여 얻어진 고전압 방전감쇄진동파를 이용하여 주스나 간장 및 술 등의 식음료를 살균 처리함으로써, 살균처리시 온도의 상승이 없어 식품의 저온 처리가 가능하여 식품의 열화를 방지할 수 있고 살균 효과를 보다 더 극대화할 수 있는 방전감쇄진동파를 이용한 비열 살균 장치에 관한 것이다.
일반적으로 주스, 우유, 간장 또는 주류 등의 식음료를 포장할 때 장시간 보존하기 위하여 살균장치를 통해 식음료를 살균 처리를 하게 된다.
통상, 식음료의 살균 처리하는 방법으로는 상품에 따라 다양한 방법들이 개시되어 있으며, 그 방법으로는 저온살균을 이용하여 잡균 또는 초산균을 사멸시키는 방법과, 감마선(γ-ray)과 가열처리를 병행하는 방법, 및 열교환기를 이용하여 저온 살균하는 방법 등이 제시되었으며, 최근에는 테트라팩(Tetra-pak), 통조림 등에 포장한 살균 제품이 일부 시판되고 있다.
그러나, 이러한 방법들은 가열 처리에 의하여 일부 미생물을 가열시켜 저장시키는 것으로서, 제품의 저장성은 어느 정도 연장시킬 수는 있지만, 열처리에 따라 화독 냄새와 같은 강한 이취(異臭)가 발생하고 쓴맛이 생기며, 변색, 청량감의 상실 및 층이 분리되는 등의 물리적 성상 변화가 일어나 상품성이 현저히 떨어지는 문제가 있다.
한편, 최근 소비자들의 건강과 천연 지향적인 가공 식품에 대한 선호가 증가함에 따라, 여러 식음료의 제조에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 예로, 당근 등의 야채나 사과 등의 과실을 이용하여, 이들을 마쇄, 착즙하여 주스를 얻는 방법이 일반적으로 널리 사용되고 있다.
그러나, 이러한 야채나 과실을 이용한 주스의 제조공정은 일반적으로 주스 고유의 pH가 6.1 내지 6.3 정도의 중성범위에 위치하기 때문에, 매우 높은 온도에서 장시간 처리해야만 적절한 살균효과를 기대할 수 있다.
따라서, 이러한 방법에 의해 제조된 주스는 주스내의 단백질 등이 열변성을 일으켜, 특히, 당근 등의 경우 카로테노이드 색소와 함께 침전하게 되며, 그 결과, 층분리가 이루어져 주스 상층부는 고유의 색상을 소실하게 되어 제품으로서의 가치를 상실하게 되는 문제점이 발생한다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 야채나 과실에 우선 열처리하여 열에 불안정한 물질을 변형시킨 후, 박피, 마쇄, 착즙하여 원심분리 또는 필터프레스 등에 의해 주스를 얻고, 살균, 냉동 보관하는 방법이 상업적으로 널리 사용되고 있다.
그러나, 이러한 방법은 안정한 주스의 제조를 위해서는 바람직하기는 하나, 야채 등을 통채로 열처리하여야 하므로 30분에서 길게는 45분까지의 장시간 열처리하여야 하는 문제점과, 이러한 열처리에 의해 야채, 특히 당근유료에서 카로테노이드가 과즙으로 이행하지 않고 펄프에 다량 잔존하게 되며, 공정이 회분식으로 되어 연속공정이 어렵고, 또한 많은 인원이 필요하게 되어 비경제적인 문제점이 발생하게 된다.
게다가, 착즙공정에서는 원심분리 또는 필터프레스 착즙으로 펄프중의 맛 성분을 충분히 추출하지 못하게 되어, 착즙율이 50 내지 60%로 낮은 문제점이 발생하게 된다.
또한, 유통과정과 저장 중의 유해 미생물의 증식을 방지하기 위해 주스내에 유기산, 인산, 구연산 등의 산을 첨가하여 주스의 pH를 4.0 이하로 낮추는 방법을 이용하고 있는 데, 이때 사용되는 산에 의해서 바람직하지 않은 산맛(acid taste)이 생성되는 바, 이의보완을 위해 액상과당, 설탕, 정제염 등의 첨가물을 넣어야만 하는 등 복잡한 공정을 거쳐 제품화되는 문제점이 발생하게 된다.
따라서, 종래에는 살균장치들은 식음료를 전기적으로 또는 가열하는 방식으로 살균처리 하였으나, 이와 같은 방법들은 식음료의 온도를 상승시켜 제품의 신선도나 고유의 향 등을 훼손하여 제품의 품질을 저하시켰고, 복잡한 살균 처리공정에 비해 살균력이나 저장성의 측면에서 만족할 만한 결과를 얻지 못하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 RLC 파라미터를 조정하여 얻어진 고전압 방전감쇄진동파를 이용하여 주스나 간장 및 술 등의 식음료를 비열살균 처리함으로써, 살균처리시 온도의 상승이 없어 식품의 저온 처리가 가능하여 식품의 열화를 방지할 수 있는 방전감쇄진동파를 이용한 비열 살균 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 RLC 파라미터를 조정하여 얻어진 고전압 방전감쇄진동파를 이용하여 식음료를 살균 처리함으로써, 동일한 전원전압에서 최대의 살균 효과를 얻을 수 있음과 아울러 감쇄진동파로 인해 에너지 효율을 보다 더 극대화시킬 수 있는 방전감쇄진동파를 이용한 비열 살균 장치를 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 RLC 파라미터를 이용한 살균장치를 도시한 회로도이고,
도 2는 본 발명에 적용된 살균전계 강도를 설명하기 위해 도시한 그래프이고,
도 3은 도 1에서 코일의 인덕턴스 값의 변화에 따른 살균 파형을 도시한 파형도이고,
도 4는 전원전압 및 코일의 인덕턴스의 변화에 따른 식음료수의 세균 생존율을 도시한 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10: 고전압펄스발생수단 Vo: 직류전원전압
Rc: 제 1 저항 C: 콘덴서
S: 스위칭수단 L: 코일
Re: 제 2 저항 20: 스위칭제어부
30: 살균처리용기 35: 고압전극
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 수단은, 외부로부터 인가되는 스위칭제어신호에 따라 개폐되어 살균처리용기로 고전압의 펄스를 발생하여 식음료를 살균 처리하는 장치에 있어서: 직류안정화 전원을 발생하되 대략 10㎸ 내지 20㎸ 범위로 설정되는 전원전압(Vo); 상기 전원전압과 직렬 연결되며 전원전압으로부터 출력되는 직류전원의 방전전류를 제한하되 대략 200㏀ 범위로 설정되는 제 1 저항(Rc); 상기 제 1 저항과 병렬 연결되어 제 1 저항을 통해 인가되는 전원을 충전하되 대략 0.1㎌ 범위로 설정되는 콘덴서(C); 상기 제 1 저항과 직렬 연결되고 외부 제어신호에 따라 개폐되어 콘덴서(C)의 직류전원을 충방전시키는 스위칭수단(S); 상기 스위칭수단과 직렬 연결되며 스위칭수단을 전류통로를 통해 인가되는 임펄스 파형을 감쇄 진동시키되 대략 4mH 내지 20mH 범위로 설정되는 코일(L); 및 상기 코일과 병렬 연결되어 코일을 통해 인가되는 진동파를 살균처리용기의 고압전극으로 방전시켜 식음료를 살균하되 대략 100Ω범위로 설정되는 제 2 저항(Re);을 구비하여 감쇄진동파로 살균 처리하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 살펴보고자 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 RLC 파라미터를 이용한 살균장치를 도시한 것으로, 고전압펄스발생수단(10), 스위칭제어부(20) 및 살균처리용기(30)를 도시하였으며, 고전압펄스발생수단(10)을 통해 얻어진 방전감쇄진동파형을 이용하여 살균처리용기(30)내에서 식음료를 살균처리하게 된다.
상기 고전압펄스발생수단(10)은, 직류안정화 전원을 발생하는 직류 전원전압(Vo)과, 상기 전원전압(Vo)과 직렬 연결되며 전원전압(Vo)으로부터 출력되는 직류전원의 방전전류를 제한하는 제 1 저항(Rc)과, 상기 제 1 저항(Rc)과 병렬 연결되어 제 1 저항(Rc)을 통해 인가되는 전원을 충전하는 콘덴서(C)와, 상기 제 1 저항(Rc)과 직렬 연결되고 외부 제어신호에 따라 개폐되어 콘덴서(C)의 직류전원을 충방전시키는 스위칭수단(S)과, 상기 스위칭수단(S)과 직렬 연결되며 스위칭수단(S)을 전류통로를 통해 인가되는 임펄스 파형을 감쇄 진동시키는 코일(L), 및 상기 코일(L)과 병렬 연결되어 코일(L)을 통해 인가되는 진동파를 살균처리용기(30)의 고압전극(35)으로 방전시켜 식음료를 살균하는 제 2 저항(Re)을 구비하여 입력 직류전원을 감쇄진동파로 변형하여 살균 처리하도록 구성되어 있다.
그리고, 스위칭제어부(20)는 미리 설정된 프로그램에 따라 그에 해당하는 제어신호(대략 100㎲의 펄스폭을 갖는 트리거신호)를 출력하여 고전압펄스발생수단(10)의 스위칭수단(S)을 소정의 시간 간격으로 개폐시키도록 구성되어 있고, 살균처리용기(30)는 내부에 고압전극(35)이 설치되어 고전압펄스발생수단(10)을 통해 출력되는 방전감쇄진동파를 출력하여 흡입구를 통해 입력되는 식음료를 살균처리하여 배출구를 통해 배출하도록 이루어져 있다.
상기 살균처리용기(30)는, 비록 도시하지 않았지만 흡입구(Inlet) 측에는 식음료를 살균처리용기(30)로 펌핑하는 펌프와, 식음료를 1차로 가열하는 열교환기, 및 개폐밸브 등이 설치되어 있고, 배출구(Outlet) 측에는 살균처리된 식음료의 역류방지 밸브와, 살균처리된 식음료를 일정 온도로 냉각시키는 열교환기 등과 같은 시스템을 더 구비하고 있다.
즉, 전원전압(Vo)에서 출력된 직류전원은 제 1 저항(Rc)을 통해 콘덴서(C)에축적되고, 콘덴서(C)에 축적된 전기에너지는 스위칭수단(S)을 폐쇄(close)할 때 코일(L)과 제 2 저항(Re)을 통해 방전되며, 이때 현탁액(살균할 식음료)으로 채워진 살균처리용기(30)의 고압전극(35)에서는 코일(L)과 제 2 저항(Re)이 출력신호를 감쇄 및 진동시키므로 인해 방전감쇄진동파가 발생된다.
아울러, 방전감쇄진동파는 제 1 저항(Rc)은 그 값이 200㏀이고, 콘덴서(C)는 0.1㎌이며, 제 2 저항(Re)은 100Ω으로 일정한 값으로 고정되어 있으나, 코일(L)을 0.1mH에서 20mH까지 변화시켜 줌으로써, 방전 파형을 감쇄 및 진동하도록 할 수 있다.
도 2는 본 발명에 적용된 살균 전계 강도를 설명하기 위해 도시한 그래프로서, x축은 코일(L)의 가변 인덕턴스 값이고, y축은 제 2 저항(Re)을 통해 출력되는 전압 피크를 도시한 것이다.
여기에서, 제 1 저항(Rc)을 200㏀로, 콘덴서(C)는 0.1㎌으로, 제 2 저항(Re)은 100Ω으로 세팅한 상태에서, 전원전압(Vo)을 10㎸를 인가하였을 때와 전원전압(Vo)을 20㎸를 인가한 후 코일(L)의 인덕턴스 값을 변화시켰을 때의 출력전압을 그래프로 도시한 것이다.
통상, 살균 전계 강도는 1.5㎸정도이므로, 도 2에서 보는 바와 같이 전원전압(Vo)을 10㎸로 하였을 경우 코일(L)의 인덕턴스 값을 3mH 내지 15mH 사이의 값으로 설정하는 것이 살균 효과가 있다는 것을 알 수 있으며, 전원전압(Vo)을 20㎸로 하였을 경우에는 코일(L)의 특정 인덕턴스 값에 관계없이 살균 효과가 우수한 것을 알 수 있다.
특히, 여기에서 전원전압(Vo)이 20㎸이고, 코일(L) 인덕턴스 값을 4mH 내지 20mH 사이 값으로 설정할 경우 살균효과가 매우 탁월한 것을 알 수 있다.
도 3은 도 1에서 전원전압을 10㎸로 고정한 상태에서 코일의 인덕턴스 값을 변화시켰을 때 제 2 저항을 통해 출력되는 파형을 도시한 것으로, x축은 시간축이고, y축은 제 2 저항(Re)을 통해 출력되는 전압 피크를 도시한 것이다.
여기에서, 전원전압(Vo)을 10㎸로, 제 1 저항(Rc)을 200㏀로, 콘덴서(C)는 0.1㎌으로, 제 2 저항(Re)은 100Ω으로 세팅한 상태에서, 코일(L)의 인덕턴스 값을 변화시켰을 때의 출력전압을 그래프로 도시한 것이다.
도 3에서 보는 바와 같이 코일(L)의 인덕턴스 값을 0mH로 하였을 경우 제 2 저항(Re)을 통해 출력되는 파형은 감쇄진동파형이 아니라 0V로 근접하는 단순 감쇄임펄스파형임을 알 수 있고, 인덕턴스 값을 5mH로 하였을 경우 제 2 저항(Re)을 통해 출력되는 파형은 피크 전압이 3㎸이상인 감쇄진동파형임을 알 수 있고, 인덕턴스 값을 10mH로 하였을 경우 제 2 저항(Re)을 통해 출력되는 파형은 피크 전압이 2.4㎸이상인 감쇄진동파형임을 알 수 있고, 인덕턴스 값을 20mH로 하였을 경우 제 2 저항(Re)을 통해 출력되는 파형은 피크 전압이 1.8㎸이상인 감쇄진동파형임을 알 수 있다.
그리고, 코일(L)의 인덕턴스 값에 진동파형의 주파수가 다른 데, 인덕턴스 값이 작을수록 주파수가 높은 것을 알 수 있다.
따라서, 전원전압(Vo)이 10㎸일 경우에 코일(L)의 인덕턴스 값을 대략 5mH로 설정하는 것이 살균효과가 높다는 것을 알 수 있다.
도 4는 전원전압 및 코일의 인덕턴스의 변화에 따른 식음료수의 세균 생존율을 도시한 것으로, x축은 코일(L)의 가변 인덕턴스 값이고, y축은 세균 생존율을 백분율(%)로 도시한 것이다.
여기에서, 제 1 저항(Rc)을 200㏀로, 콘덴서(C)는 0.1㎌으로, 제 2 저항(Re)은 100Ω으로 세팅한 상태에서, 전원전압(Vo)을 10㎸를 인가하였을 때와 전원전압(Vo)을 20㎸를 인가한 후 코일(L)의 인덕턴스 값을 변화시켰을 때의 세균 생존율을 그래프로 도시한 것이다.
그래프에서 보듯이 동일한 조건의 RLC 파라미터에서 전원전압(Vo)이 10㎸일 때보다 20㎸일 때가 세균 생존율이 훨씬 낮아 살균효과가 뛰어난 것을 알 수 있으며, 전원전압(Vo)이 10㎸일 때 코일(L)의 인덕턴스 값이 4mH 내지 10mH 사이에서 세균 생존율이 대략 15% 이하가 되어 살균효과가 비교적으로 우수한 것을 알 수 있고, 전원전압(Vo)이 20㎸일 때 코일(L)의 인덕턴스 값이 4mH 내지 20mH 사이에서 세균 생존율이 대략 5% 이하가 되어 살균효과가 상당히 우수한 것을 알 수 있다.
따라서, 동일한 조건에서 RLC 파라미터를 어떻게 설정하느냐에 따라 살균율이 상당한 차이를 보임을 알 수 있고, 특히 전원전압(Vo)과 코일(L)의 인덕턴스 값은 살균율에 있어 아주 민감한 것을 알 수 있다.
이와 같은 고주파 펄스를 이용한 비열 살균 방법은 특허공개 제2000-16830호의 "고전압펄스 전기장을 이용한 주류 및 식음료의 비열 살균 방법"에서 이미 제시하고 있지만, 상기 특허공개에서는 살균 펄스파를 익스포넨셜 웨이브나 스퀘어 웨이브를 사용함으로써, 본 발명의 방전감쇄진동파보다 살균율 및 에너지 효율이 훨씬 떨어지는 문제점이 있었다.
즉, 본 발명의 방전감쇄진동파를 이용한 비열 살균 방식은 RLC 회로에서 인덕턴스 값을 변형하여 방전 살균시 임펄스 파형을 감쇄진동시킴으로써, 에너지 효율을 증가시켜 주었고, 또한 동일한 직류 전원전압(Vo)에서 최적의 인덕턴스 값을 설정함에 따라 살균율을 최대로 증가시킬 수 있다.
상기에서 본 발명의 특정한 실시예가 설명 및 도시되었지만, 본 발명이 당업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같은 변형된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명에 첨부된 특허청구범위 안에 속한다 해야 할 것이다.
따라서, 본 발명에서는 RLC 파라미터를 조정하여 얻어진 고전압 방전감쇄진동파를 이용하여 주스나 간장 및 술 등의 식음료를 비열살균 처리함으로써, 살균처리시 온도의 상승이 없어 식품의 저온처리가 가능하여 식품의 열화를 방지할 수 있어 장시간 보존 유통이 가능한 이점이 있다.
또한, RLC 파라미터를 조정하여 얻어진 고전압 방전감쇄진동파를 이용하여 식음료를 살균 처리함으로써, 동일한 전원전압에서 최대의 살균 효과를 얻을 수 있음과 아울러 감쇄진동파로 인해 에너지 효율을 보다 더 극대화시킬 수 있는 이점이 있다.
Claims (3)
- 외부로부터 인가되는 스위칭제어신호에 따라 개폐되어 살균처리용기로 고전압의 펄스를 발생하여 식음료를 살균 처리하는 장치에 있어서:직류안정화 전원을 발생하되 대략 10㎸ 내지 20㎸ 범위로 설정되는 전원전압(Vo);상기 전원전압과 직렬 연결되며 전원전압으로부터 출력되는 직류전원의 방전전류를 제한하되 대략 200㏀ 범위로 설정되는 제 1 저항(Rc);상기 제 1 저항과 병렬 연결되어 제 1 저항을 통해 인가되는 전원을 충전하되 대략 0.1㎌ 범위로 설정되는 콘덴서(C);상기 제 1 저항과 직렬 연결되고 외부 제어신호에 따라 개폐되어 콘덴서(C)의 직류전원을 충방전시키는 스위칭수단(S);상기 스위칭수단과 직렬 연결되며 스위칭수단을 전류통로를 통해 인가되는 임펄스 파형을 감쇄 진동시키되 대략 4mH 내지 20mH 범위로 설정되는 코일(L); 및상기 코일과 병렬 연결되어 코일을 통해 인가되는 진동파를 살균처리용기의 고압전극으로 방전시켜 식음료를 살균하되 대략 100Ω범위로 설정되는 제 2 저항(Re);을 구비하여 감쇄진동파로 살균 처리하는 것을 특징으로 하는 방전감쇄 진동파를 이용한 비열 살균 장치.
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