KR100708281B1 - 아셉틱 충전 방법 - Google Patents

Abstract

아셉틱 충전에 의해 내용물을 가온하는 경우 피할 수 없었던 용기의 변형을 회피하기 위해, 세정·살균을 실시한 합성 수지제 용기에, 미리 살균한 내용물을 충전할 때, 아셉틱 충전되는 내용물의 온도를, 상온보다는 높지만 살균 작용이 발현되는 온도보다는 낮은 온도로 유지한다.

충전물, 내용물, 가온, 용기 변형, 세정, 살균, 상온

Description

아셉틱 충전 방법{METHOD OF ASEPTIC FILLING}

본 발명은 차(茶) 계통 등의 음료(飮料)를 용기에 아셉틱(aseptic) 충전하는 방법에 관한 것이다.

차 계통의 음료를 내용물로 충전한 합성 수지제의 병 모양 용기(페트병 등)는 최근의 차 음료 붐으로 소비자의 지지를 획득하고 있고, 그 시장은 점점 확대되어 가는 경향이다. 이와 같은 내용물은 그것이 갖는 자연의 맛이나 풍미(風味)를 유지하는 것이 특히 중요하고, 따라서 내용물에 대한 온도 변화의 영향을 극력 억제하는 것이 바람직하다. 그 때문에 내용물을 단시간에 살균ㆍ냉각한 후, 상온에서 살균을 끝낸 용기에 액체를 채우는, 소위 아셉틱(aseptic)(무균) 충전 시스템이 채용되고 있다.

그런데, 아셉틱 충전에 사용되는 용기는 살균ㆍ냉각을 거친 상온의 내용물을 충전하는 것을 전제하고 있기 때문에 내열성에 관해서는 특별히 고려하지 않고 있다. 그러나 겨울철과 같이 기온이 낮은 시기에 내용물을 용기와 함께 워머(warmer)나 온장고(hot vender) 등에 의해, 예를 들면 65 ℃까지 가온(加溫)했을 경우에는 용기가 열에 의해 변형되어 상품 가치가 손상될 우려가 있다.

이 점에 관해서는 아셉틱 충전에서 사용되는 용기를, 핫 필(hot fill)용으로 내열성이 개선된 용기로 대체하거나 혹은 용기의 벽 두께를 늘리는 등의 시도는 이루어지고 있지만, 내열성이 개선된 용기에서도 워머 등으로 가온하기에는 그 보디부(body部)에서의 내열성이 불충분하고, 또 한편 용기의 벽 두께를 두껍게 하기에는 자원의 삭감을 도모한다는 관점에서 바람직하지 못하다.

본 발명의 과제는 내용물을 충전하는 용기에 대해서 가온에 의한 용기의 변형을 효과적으로 회피할 수 있는 신규한 아셉틱 충전 방법을 제안하는 데 있다.

이 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 세정, 살균을 실시한 합성 수지제 용기 내에 미리 살균을 실시한 내용물을 아셉틱 충전할 때, 내용물을 상온보다는 높지만 살균 작용을 하기 위한 핫 필(hot fill)시 채택되는 충전 온도, 즉 살균 작용이 발현되는 온도(약 80 ℃ 이상)보다는 낮은 온도 하에서 충전하는 것이다. 또 상온(常溫)이란 JIS Z 8703 또는 대응하는 IS0 554:1976《시험 장소의 표준 상태(Standard Atmospheres For Conditioning and/or Testing)》에서 규정한 소정의 표준 온도 상태, 즉 20 ℃ 전후의 온도를 나타내는 것이 일반적이며, 본 명세서에서도 동일하게 적용된다.

충전시 내용물의 온도는 30 ℃∼40 ℃의 범위로 하는 것이 가장 적당하다. 그러나 아셉틱 충전 프로세스의 최종 단계에서, 충전 후의 내용물을 상온까지 냉각하기 위한 냉각 공정이 부가되는 경우에는, 충전시 내용물의 온도는, 워머 등의 가온기(加溫器)에 의해 가열되는 온도, 예를 들면 50 ℃∼60 ℃ 정도의 온도 범위로 할 수 있다.

이하 본 발명에 따른 아셉틱 충전 방법에 대해서 구체적으로 설명한다.

아셉틱 충전에는 각종 방식이 제안되어 있지만, 그 일례를 들면 용기 멸균 섹션과 무균 충전 섹션의 조합으로 이루어지는 방식이 있다. 이 경우, 용기 멸균 섹션에서는 블로우 성형 등에 의해 성형된 병에 대하여 그 내부를 온수로 세정하고, 이어서 멸균 용액으로 병의 입구부를 타깃으로 하여 세정될 병 외부를 세정하고 나서 멸균 용제를 가득 부어 병 안을 멸균하고, 계속해서 병의 입구부를 아래로 해서 멸균 용제를 배출하는 동시에 무균 에어 플러싱(air flushing)을 행한다. 계속되는 무균 충전 섹션에서는, 무균 에어 플러싱이 행해진 병에 내용물을 무균 충전해서 캡핑(capping) 처리를 한다.

상술한 아셉틱 충전 프로세스를 거쳐서 액체를 채운 병은 워머 등에 의해 가온될 경우에 가온시의 열 영향으로 인해 용기의 형상 변형이, 종래는 불가피하다고 생각하고 있었다. 그런데 본 발명에서는 내용물의 아셉틱 충전시 그 온도를 상온보다는 높지만 살균 작용이 발현되는 온도보다는 낮은 온도, 적합하게는 30 ℃ ∼ 40 ℃의 범위 내의 온도로 유지함으로써 가온시 용기에 대한 열 영향을 효과적으로 완화시킬 수 있게 되어 용기의 외관 형상(나아가서는 상품 가치)을 손상하는 일이 거의 없어진다.

여기에, 내용물의 온도를 상온보다도 높은 온도로 유지하여 아셉틱 충전함으로써 가온시 용기의 외관 형상의 변형을 회피할 수 있는 이유는, 내용물을 상온보다도 높은 온도로 유지해서 충전하면 용기 내의 최종적인 내압(內壓)이 상온 조건 하에서 아셉틱 충전했을 경우와 비교해서 낮아지므로, 이 상태에서 용기를 가온하여도 내압이 낮은 분량만큼 가온시 내압의 상승을 억제할 수 있기 때문이라고 생각된다.

상술한 메커니즘에 대해서 구체적으로 검증하면, 가득 채운 용량이 290 ㎖인 PET병에 28O ㎖의 물을 상온(2O ℃) 및 4O ℃에서 아셉틱 충전했을 경우(용기 내의 빈 공간은 1O ㎖)에 있어서의 병의 내압은 다음과 같게 된다. 또한, 용기에 대한 내압의 영향을 고려하면, 내압의 상승 정도를 계산할 때 용기의 변형에 의한 압력의 완화는 무시하기 위해 용기가 강체(剛體)라고 가정하고, 용기의 열팽창에 의한 체적 변화도 무시한다.

먼저 2O ℃, 280 ㎖의 물은 열팽창에 의해 4O ℃에서는 281.69 ㎖까지, 65 ℃에서는 285.04 ㎖까지 체적이 변화한다. 여기서 용기 내의 빈 공간의 기체는 이상 기체의 상태 방정식, PV=nRT를 따르는 것으로 한다. 수증기의 기압이 20 ℃에서는 2.338 kPa, 40 ℃에서는 7.377 kPa, 65 ℃에서는 25.014 kPa이기 때문에, 20 ℃에서 65 ℃까지의 가온시 수증기의 기압 차이는 약 23 kPa(25.014-2.338=22.676)이며, 40 ℃에서 65 ℃까지 가온시 수증기의 기압 차이는 약 18 kPa(25.014-7.377=17.637)이다.

20 ℃에서 충전하여 65 ℃까지 가온한 경우, 즉 종래의 방법에 따라 아셉틱 충전하여 가온한 경우의 용기 내 공간의 압력은,

PV=nRT

P'V'=nRT'

에 의해서 구할 수 있다. 단, n, R은 정수이고, P=101.325 kPa(충전시 압력=대기압), V=10 ㎖(충전시 용기 내의 빈 공간의 용적), T=293 K(충전시 절대 온도 20+273), P'=가온시 용기 내의 빈 공간의 압력, V'=29O-285.O4=4.96 ㎖(가온시 용기 내의 빈 공간의 용적), T'=338 K(가온시 절대 온도 65+273)이다. 여기에서, PV/T=P'V'/T'이기 때문에, 가온시 용기 내의 빈 공간의 압력 P'은,

P'=PVT'/TV'

=(101.325×10×338)/(293×4.96)

= 236 kPa

이다. 그리고 수증기의 기압 차이 23 kPa를 더하면, 최종적인 내압(절대압)은 236+23=259 kPa(게이지압(gauge pressure)으로는 158 kPa)이 된다.

한편, 40 ℃에서 충전하여 65 ℃까지 가온했을 경우, 즉 본 발명에 따라서 아셉틱 충전한 뒤에 가온했을 경우의 용기 내 공간의 압력도, 상술한 바와 같이 구할 수 있다. 여기에서 P=1O1.325 kPa(충전시 압력=대기압), V=8.31 ㎖(2O ℃, 28O ㎖의 물을 40 ℃의 온도 하에서 충전했을 때의 용기 내의 빈 공간의 용적), T=313 K(충전시 절대 온도 40+273), P'=가온시 용기 내의 빈 공간의 압력, V'=290-285.04=4.96 ㎖(가온시 용기 내의 빈 공간의 용적), T'=338 K(가온시 절대 온도 65+273)이다. 따라서 가온시 용기 내의 빈 공간의 압력 P'는,

P'=PVT'/TV'

= (101.325×8.31×338)/(313×4.96)

= 183 kPa

이다. 수증기의 기압 차이 18 kPa를 더하면, 최종적인 내압(절대압)은 183+18=201 kPa(게이지압으로는 1OO kPa)이 된다.

상술한 바와 같이, 상온(20 ℃)에서 충전했을 경우와 40 ℃에서 충전했을 경우의 내압 차이는 게이지압으로 158-100=58 kPa이며, 이 내압의 차이가 아셉틱 충전이 행해진 용기를 가온했을 경우에서의 용기 형상의 변형을 억제할 수 있는 요인이라고 생각할 수 있다(실제로는 용기의 탄성 변형에 의해 내압이 완화되기 때문에 더 낮은 내압으로 된다).

일반적으로 워머 등의 가온기는 용기 내의 내용물의 온도를 50 ℃ ∼ 60 ℃ 정도로 유지하도록 설정되어 있다. 따라서 가온시 용기의 내압 상승을 억제한다는 관점에서는 아셉틱 충전시에 내용물을 가온 온도와 동등한 온도 하에서 충전하는 것이 최선이다. 그 경우에는 아셉틱 충전 프로세스의 최종 단계에 내용물을 상온까지 냉각시키기 위한 냉각 공정을 부가하는 것이 바람직하다. 또 한편 이를 위한 냉각 장치의 설치나 라인의 연장이 바람직하지 않은 경우에는, 냉각 공정을 필요로 하지 않고도 용기의 변형을 억제할 수 있는 온도로서, 아셉틱 충전시에 내용물의 상한(上限) 온도를 30 ℃∼40 ℃ 정도로 유지하는 것이 가장 바람직하다.

검증 실험

본 발명의 효과를 확인하기 위해서, 충전 용량 28O ㎖의 쉬링크 레이블(shrink label)을 부착한 환형(둥근형, 丸型) 내열 PET병(사용한 수지량 26 g)과 충전 용량 350 ㎖의 쉬링크 레이블을 부착한 각형(角型) 고내열 PET병(사용한 수지량 26 g)을 준비하고, 각각의 용기에 20 ℃ 및 40 ℃의 물을 넣어서 캡핑(capping) 한 다음, 60 ℃, 65 ℃, 70 ℃, 75 ℃ 및 80 ℃의 각 항온 수조(水槽)에 1시간 침지(중탕) 했을 경우의 병의 외관 형상의 변화 상황에 대해서 조사했다.

그 조사 결과를 표 1에 나타낸다. 또, 용기의 외관 평가는 용기 바닥의 돌출부나 상온까지 냉각했을 때의 패널부(보디부)의 상황에 의해 판단하며, ×는 저부(底部)의 돌출부와 냉각 후의 패널부에 볼록이 생겼을 경우를 표시하고, △는 저부의 사소한 돌출과 냉각 후의 패널부에 볼록이 생겼을 경우를 표시하고, ○는 저부에 실용상 특별히 문제가 안될 정도의 아주 사소한 돌출이 생겼을 경우를 표시하고, 또한 ◎는 전혀 문제가 생기지 않았던 경우를 표시하는 것이다.

표 1로부터 명백한 바와 같이, 아셉틱 충전시 내용물을 상온보다도 높은 온도로 유지하면 용기의 형상 변화가 극히 작게 되어, 환형 내열 PET병에서는 60 ℃ 정도까지의 가온에도 견딜 수 있고, 각형(角形) 고내열 PET병에서는 65 ℃ 정도까지의 가온에도 견딜 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

이상 상세한 설명에서 명백한 바와 같이, 본 발명에 의하면 내용물의 온도를 상온보다도 높게 해서 아셉틱 충전하므로, 상온 충전의 경우와 대비하여 가온시의 온도와 충전시의 온도가 근접하고, 가온시 용기의 내압 상승이 완화되기 때문에 내용물을 용기와 함께 가온해도 용기의 외관 형상에 주는 영향을 매우 효과적으로 억제할 수 있다.

또한, 가장 바람직한 실시예에 관하여 본 발명을 설명했지만, 그 범위를 일탈하지 않고 상기 이외의 다양한 실시예로 실시할 수 있는 것은 당연하다.

Claims (3)

1. 합성 수지제 용기를 충전하는 아셉틱(aseptic) 충전 방법으로서,

   합성 수지제 용기를 세정(洗淨)하고 살균하는 단계와,

   미리 내용물을 살균하는 단계와,

   50 ℃ ∼ 60 ℃의 범위 내의 온도 하에서 상기 합성 수지제 용기에 상기 내용물을 충전하는 단계, 및

   상기 내용물을 상온까지 냉각하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 아셉틱 충전 방법.
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