KR101704808B1 - 오존수를 이용한 비가열 살균 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 투입구를 통해 외부로부터 전달되는 물이 통과하는 용해 배관과, 산소 발생기와, 상기 산소 발생기에서 생성되는 산소를 공급받아 오존을 생성하는 마이크로플라즈마장치와, 상기 마이크로플라즈마장치에서 생성된 오존을 상기 용해 배관 내부로 분사하는 벤츄리인젝터와, 상기 용해 배관을 통과하는 물이 상기 벤츄리인젝터에서 분사된 오존과 혼합되어 생성되는 오존수를 저장하는 저장탱크와, 상기 저장탱크로부터 오존수를 외부로 배출하는 배출구와, 외부로부터 투입되는 물을 용해 배관으로 전달하는 펌프를 포함하여 구성되며, 상기 마이크로플라즈마장치는 절연 지지체 내부에 복수의 마이크로채널이 형성되어 있고, 상기 산소발생기에서 공급되는 산소가 상기 마이크로채널을 통과하면서 오존이 발생되는 것을 특징으로 하는 오존수를 이용한 비가열 살균 시스템을 제공한다.

Description

오존수를 이용한 비가열 살균 시스템 {Non thermal sterilization system using ozone water}
본 발명은 살균 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 마이크로플라즈마를 이용하여 생성된 오존으로 오존수를 발생시키고 이를 통해 비가열 살균이 가능한 식품처리 시스템을 제안한다.
생활 수준이 향상되고 건강에 대한 관심이 고조되면서 가공 식품 보다는 원재료 자체의 식품이나 단순 가공한 신선 식품의 수요가 더욱 증대되고 있다. 또한, 고품질 신선식품의 선호 트랜드를 반영하여 다양한 비가열 식품이 출시되고 있으며 시장 규모 역시 급성장하는 추세에 있다. 예를 들어 2013년 국내 착즙쥬스 시장 규모는 약 1000억원대로 추정하고 있고 이외에도 다양한 신선 식품이 먹거리 시장에서 높은 비중을 차지하고 있다.
고품질 신선식품의 시장 확대와 소비자 만족을 위해서는 원가 경쟁력 확보를 위하여 가열 및 살균 비용을 절감해야 할 필요가 있고, 품질 개선과 신상품 개발을 위한 기술적 지원이 요구된다. 또한, 소비자의 신선 식품 선호 트랜드를 충족하기 위해서는 신상품 개발은 물론, 비가열식 살균 식품의 과학적 관리를 통한 저장성을 증대시킬 필요가 있다.
기존의 비가열 살균 방법으로는 초고압살균, 고전압 펄스 살균, 오존 살균 등의 방식이 제안되었다. 그러나 초고압살균은 수십억원의 투자가 필요한 장치 산업으로 비용이 많이 요구되며, 고전압 펄스 살균은 현재 연구개발중이나 상업적 시장은 아직 형성되지 못한 상태이고, 오존 살균의 경우 플라즈마 생산기술의 한계와 관련 업체의 영세성으로 시장 자체가 크지 않다.
비가열 살균 시장의 확대 및 관련 산업의 발전을 위해서는 기존 비가열 살균 기술 대비 낮은 비용을 구현함은 물론, 공정 개선으로 기술적 편이성을 실현하여야 하고, 식품의 전처리 및 공정기술로 기존 산업과 시너지 창출이 가능하여야 한다.
등록실용신안 제20-0180386호 공개특허 제2005-0113356호
본 발명은 전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 신선 식품의 살균 및 저장성 개선을 위한 비가열 살균 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 오존수의 발생이 용이하고 오존수의 용존 오존 농도를 쉽게 제어할 수 있는 비가열 살균 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 제조 비용이 과다하지 않으며 마이크로플라즈마 장치의 특성상 소형화가 가능하여 설치 및 이동이 용이한 오존수 생성 장치 및 오존수를 이용한 비가열 살균 시스템을 제공하는 것이다.
기타, 본 발명의 또 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 상세한 설명에서 보다 구체적으로 제시될 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 투입구를 통해 외부로부터 전달되는 물이 통과하는 용해 배관과, 산소 발생기와, 상기 산소 발생기에서 생성되는 산소를 공급받아 오존을 생성하는 마이크로플라즈마장치와, 상기 마이크로플라즈마장치에서 생성된 오존을 상기 용해 배관 내부로 분사하는 벤츄리인젝터와, 상기 용해 배관을 통과하는 물이 상기 벤츄리인젝터에서 분사된 오존과 혼합되어 생성되는 오존수를 저장하는 저장탱크와, 상기 저장탱크로부터 오존수를 외부로 배출하는 배출구와, 외부로부터 투입되는 물을 용해 배관으로 전달하는 펌프를 포함하여 구성되며, 상기 마이크로플라즈마장치는 절연 지지체 내부에 복수의 마이크로채널이 형성되어 있고, 상기 산소발생기에서 공급되는 산소가 상기 마이크로채널을 통과하면서 오존이 발생되는 것을 특징으로 하는 오존수를 이용한 비가열 살균 시스템을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 마이크로플라즈마장치는 다수의 마이크로칩형태의 오존 발생장치로 구성되어 있어, 그 단위 크기가 수 밀리미터의 두께로 제작되는 극소형 칩들과 전원장치로 구성된다.
본 발명의 비가열 살균 시스템은 상기 용해 배관은 물의 이동 방향이 반복적으로 변화되도록 지그재그 형태로 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명은 상기 투입구와 배출구 사이에 순환 배관을 연결하고 필요에 따라 오존수가 시스템 내부에서 순환시킴으로써 오존수의 용존 오존 농도를 제어할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 마이크로플라즈마장치를 이용하여 오존을 생성하고 이를 이용하여 오존수를 발생시켜 비가열 살균이 가능한 효율적인 살균처리 장치를 제공할 수 있다.
이러한 비가열 살균 시스템은 오존수의 발생 및 농도 조절이 용이하여 각종 농산물, 축산물, 해산물, 이들의 가공식품의 살균에 적합하며 신선 식품의 저장성을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 비가열 살균 시스템은 장치 규모가 크지 않고 제조 비용이 저렴하며, 친환경적 살균이 가능하고 에너지 소모가 적어 관련 산업에서 살균 관련 설비 도입에 유리하고 살균 공정에 소요되는 비용을 줄일 수 있다.
본 발명의 비가열 살균 시스템은 농축산물이나 가공식품의 품질 향상 뿐만 아니라, 토양정화, 양식장 살균, 축산 위생 관리 및 악취 정화 등에도 효과적으로 활용될 수 있으며, 비가열 살균 시장의 확대 및 성장을 통해 관련 식품 산업이나 환경 산업의 발전에도 이바지할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 비가열 살균 시스템의 사시도
도 2는 본 발명의 비가열 살균 시스템의 다른 사시도
도 3a 및 3b는 본 발명의 비가열 살균 시스템의 마이크로플라즈마장치의 사시도 및 단면도
도 4는 비가열 살균 시스템에 들어가는 마이크로 플라즈마 장치의 구성도
도 5는 본 발명의 비가열 살균 시스템의 부분 확대도
본 발명은 설치 공간이 작고 이동이 가능한 오존수 발생 장치 및 이를 이용한 비가열 살균 시스템을 제안한다.
본 발명의 비가열 살균 시스템은 마이크로플라즈마(microplasma)를 이용하여 오존을 발생시키며, 오존을 생성하기 위하여 산소발생기를 시스템에 내장할 수 있다. 또한, 빠른 시간에 효과적으로 오존수를 생성하기 위해 인젝터를 통해 공급되는 오존이 쉽게 물에 용해되도록 용해 배관의 형태를 지그재그 방식 또는 코일 형태로 형성할 수 있다. 발생된 오존수는 저장탱크에서 외부로 배출되기 전에 시스템 내부에서 순환시켜 오존수의 농도를 변화시킬 수도 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비가열 살균 시스템(100)을 보인 것이다. 이러한 살균 시스템은 오존수를 효과적으로 생성하기 위하여 기본 구성요소로서, 마이크로플라즈마장치(140)와 벤츄리 인젝터(150) 및 용해 배관(160)을 포함하고 있으며, 물의 공급을 위한 펌프(120)와 산소 발생을 위한 산소발생기(130) 및 생성된 오존수를 저장하는 저장탱크(170)를 더 포함할 수 있다.
외부에서 공급되는 물은 투입구(110)를 통해 용해 배관으로 전달된다. 산소 발생기에서 생성되는 산소는 마이크로플라즈마장치에서 오존으로 생성되며, 생성된 오존은 벤츄리인젝터를 통해 상기 용해 배관 내부로 분사된다. 용해 배관을 통과하는 물은 벤츄리인젝터에서 분사된 오존과 혼합되어 오존수로 변화되며, 생성된 오존수는 저장탱크에 저장되고, 오존수가 필요할 때 저장탱크로부터 배출구(180)를 통해 외부로 공급될 수 있다.
본 발명의 비가열 살균 시스템은 오존수 생성에 있어서 마이크로플라즈마를 이용하는데 특징이 있다.
일반적으로 플라즈마 발생은 두 개의 전극 사이에 기체를 주입하고 전극에 고전압을 가하여 기체를 플라즈마 상태로 변화시킨다. 종래의 플라즈마 발생장치는 전극 사이즈나 기체가 주입되는 통로가 크고 고전압이 요구되기 때문에 플라즈마 발생장치의 규모가 크고 장치 제조 비용이 과다하여 오존수를 이용한 살균 시스템에 적용하는데 한계가 있다.
예를 들어, 코로나 방전의 경우 7000 ~ 10000V의 고전압이 요구되고, 플라즈마 발생 시 고열이 동반되어, 장치의 안전을 위해 냉각수나 방열판 등의 냉각 장치가 필수적으로 요구된다. 또한, 발생된 오존을 물에 빨리 용해시켜 보다 효율적으로 오존수를 생성하기 위해 가압 용해 방식을 취하게 되면 가압 수단이 부가되어 전체적인 장치는 더 복잡하게 되고 제조 비용 사이 및 장치 사이즈가 증가하는 단점이 있다. 또한 전극 내를 특수한 부식방지를 처리하거나, 부식에 강한 전극을 사용하지 않는 이상, 수분이나, 공급기체의 순도에 따라 반응기가 부식되어, 수명에 영향을 주거나, 유지비용이 높아지는 문제가 생길 수 있다.
반면, 본 발명에서는 대기압 저온 플라즈마인 마이크로플라즈마를 이용한 오존 발생장치를 이용한다. 마이크로플라즈마는 직경이 수십 ~ 수천 마이크로미터 수준의 크기를 갖는 플라즈마로서 주입 기체의 플라즈마 발생을 위하여 높은 전압이 요구되지 않고 약 2000V 미만에서 우수한 저온 플라즈마(cold plasma) 플라즈마를 발생시킬 수 있으며, 따라서 방열을 위한 대형 냉각 장치나 방열판이 필요없게 된다.
이러한 마이크로플라즈마장치는 다른 플라즈마장치와 비교할 때 사이즈가 현저히 작으며, 마이크로플라즈마를 발생시키기 위하여 도 3a에 도시한 바와 같이 복수의 마이크로채널(310)이 내부에 형성되어 있는 절연 지지체(300)를 포함한다. 절연 지지체는 예를 들어 산화물 재료로 형성할 수 있다. 상기 마이크로채널은 절연 지지체 내부에 원통이나 파이프형태로 형성될 수 있고, 도 3a의 A-A 선 단면 구조를 도시한 도 3b에 나타난 바와 같이 절연 지지체의 일면과 다른면을 관통하는 형태로 형성한다. 마이크로채널의 직경은 수 마이크로미터에서 수백 마이크로미터 크기로 형성할 수 있다.
산소발생기에서 공급되는 산소는 절연 지지체의 마이크로채널 입구(Gas Inlet)으로 진입되고 절연 지지체에 배치되는 전극을 통해 고전압이 가해지면서 오존으로 변화되어 마이크로채널 출구(Gas Outlet)로 배출된다. 특히 마이크로 채널내부가 절연층으로 보호되어 있어, 플라즈마에 기인된 식각이나 스퍼터링등으로 부터 전극이 보호될뿐 아니라, 오존수 생산중, 오존분배관을 통한 수분역류가 발생할 시, 전극 부식 및 수명저하로부터 보호할 수 있는 특징을 가진다.
또한 도 4에 예시한 바와 같이, 마이크로 플라즈마 장치는 마이크로 채널(310)로 이루어진 절연 지지체(300), 마이크로 채널 전극(320)과 방전을 형성하도록 전압을 인가해주는 전원장치(330), 산소발생장치(350) 그리고 제어장치(340)로 구성되며, 100 여개 이상의 마이크로 채널이 방전에 사용될 시, 산소 기체 공급 하에서 최대 분당 60 리터까지 2 ppm 미만의 용존 오존 농도를 가지는 오존수를 제작할 수 있다. 이때 산소 공급량은 채널의 수에 의해 결정되며, 상기 조건에서 최대 분당 5 리터 이상 통과할 수 있도록 되어 있다. 일반적으로 공급기체는 90% 순도이상의 산소를 사용하는 것으로 기본으로 하나, 선택적으로 외부기체 공급관을 사용하여, 공기나 외부산소공급장치로부터 공급을 받을 수 있도록 설계되어 있다.
특히, 마이크로플라즈마장치에서 생성된 오존은 용해배관을 통과하는 물에 빠르게 용해되어 원하는 농도의 오존수를 생성하는 것이 중요하다. 이를 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비가열 살균 시스템은 용해 배관의 형태를 물의 이동 방향이 반복적으로 변화되도록 지그재그 형태로 형성하였다. 또한, 용해 배관을 코일 형태로 형성하거나 3차원적 지즈재그 형태로 구성하여 용해 배관이 차지하는 공간이 작은 경우에도 오존과 물의 용존 면적 및 시간을 늘일 수 있다.
한편, 본 발명의 비가열 살균 시스템은 시스템 내로 투입되는 물의 양을 제어하기 위해 도 5에 도시한 바와 같이 투입구 근처에 투입 제어 밸브(112)를 설치하는 한편, 저장탱크에 보관된 오존수를 외부로 배출하는 배출구 근처에는 배출 제어 밸브(182)를 설치하여 오존수 배출을 제어한다. 이외에도 산소발생기에서 발생한 산소를 마이크로플라즈마장치로 공급하는 산소 배관(132)과 마이크로플라즈마장치에서 생성된 오존을 벤츄리인젝터로 공급하는 오존 배관(142)이 시스템의 전체 사이즈가 확장되지 않도록 하면서 내부 공간에 적절히 배치되어 있다. 또한, 용해배관의 끝에는 저장탱크와 연결되는 저장 배관(162)이 있고, 저장탱크와 배출구 사이에는 배출 배관(172)이 마련되어 있다. 이러한 각종 배관들은 시스템의 전체 부피가 커지지 않도록 저장탱크, 산소발생기, 마이크로플라즈마장치 및 펌프 사이의 공간에 집적되어 있다.
또한, 본 발명의 비가열 살균 시스템은 부가장치 없이도 오존수 농도를 효과적으로 제어하기 위해 순환 배관(200)을 더 포함한다. 이 순환 배관은 도 5에 나타난 바와 같이 투입구(110)와 배출구(180) 사이에 배치되어 있으며, 순환 배관의 중앙에는 순환 제어 밸브(202)가 설치되어 있다. 투입 제어 밸브와 배출 제어 밸브를 닫은 상태에서 순화 제어 밸브를 개방하게 되면 시스템 내에서 발생되는 오존수는 계속해서 용해 배관을 반복하여 통과하게 되며, 이 과정에서 마이크로플라즈마장치에서 생성되는 오존이 지속적으로 오존수에 용해되기 때문에 오존수의 용존 오존의 농도가 빠른 시간 내에 높아지게 된다.
이와 같은 오존수 농도 제어 방식으로 복잡한 장치를 부가하지 않고도 원하는 농도의 오존수를 생성할 수 있으며, 예를 들어 식품 살균에 요구되는 1ppm 이상의 오존수를 생성하고자 할 때, 상기 각 밸브들을 제어하여 효과적으로 기준 농도 이상의 오존수를 만들 수 있는 장점이 있다.
이와 같이 효과적으로 고농도의 오존수를 빨리 생성할 수 있는 핵심은 저전압으로 대기압 하의 상온에서 높은 밀도의 플라즈마를 발생시키는데 있으며, 본 발명의 살균 시스템은 2ppm의 오존수 기준으로 시간당 2톤 정도를 생산할 수 있기 때문에 살균이 요구되는 각종 현장에서 효과적으로 비가열식 액체 살균이 가능하다. 따라서, 생선, 육류, 과일, 채소 등의 신선 식품 살균에 매우 적합하며, 포장두부, 더치커피, 식초음료, 감귤주스 등의 1차 가공식품 등의 저장성 향상에도 크게 기여할 수 있다.
또한, 본 발명은 기존의 플라즈마 발생장치와 달리 마이크로플라즈마장치의 사이즈가 작기 때문에 살균 시스템의 전체 규모를 줄일 수 있어 쉽게 이동이 가능한 비가열 살균 시스템을 제조할 수 있는 장점이 있다. 이러한 휴대형 살균 시스템은 장치가 설치되는 공간을 줄임으로써 살균 공정이 수행되는 공장의 공간 활용성을 높이는 것은 물론, 도서(島嶼) 지역이나 오지(奧地)에서 지역 산물 내지 가공식품에 대하여 산지에서 직접 살균을 가능하게 한다는 점에서 국내 식품 산업의 경쟁력 강화 및 식품 안전성 제고에 일익을 담당할 수 있을 것으로 기대된다.
이상에서 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 예시적으로 설명하였으나, 본 발명은 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명에서 제시한 기술적 사상, 구체적으로는 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있을 것이다.
100:살균 시스템 110:투입구
112:투입 제어 밸브 120:펌프
130:산소발생기 132:산소 배관
140:마이크로플라즈마장치 142:오존 배관
150:벤츄리인젝터
160:용해배관 162:저장 배관
170:저장탱크 172:배출 배관
180:배출구 182:배출 제어 밸브
200:순환 배관 202:순환 제어용 밸브
300:절연 지지체 310:마이크로채널
320:전극 330:전원장치
340:제어장치 350:산소발생장치
360:외부기체사용시 공급관

Claims (5)

  1. 투입구를 통해 외부로부터 전달되는 물이 통과하는 용해 배관과,
    산소 발생기와,
    상기 산소 발생기에서 생성되는 산소를 공급받아 오존을 생성하는 마이크로플라즈마장치와,
    상기 마이크로플라즈마장치에서 생성된 오존을 상기 용해 배관 내부로 분사하는 벤츄리인젝터와,
    상기 용해 배관을 통과하는 물이 상기 벤츄리인젝터에서 분사된 오존과 혼합되어 생성되는 오존수를 저장하는 저장탱크와,
    상기 저장탱크로부터 오존수를 외부로 배출하는 배출구와,
    외부로부터 투입되는 물을 용해 배관으로 전달하는 펌프를 포함하여 구성되며,
    상기 마이크로플라즈마장치는 절연 지지체 내부에 절연 지지체의 일면과 다른 면을 관통하는 형태로 복수의 마이크로채널이 형성되어 있고, 상기 산소발생기에서 공급되는 산소가 절연 지지체의 마이크로채널 입구으로 진입되고 절연 지지체 내부에 배치되는 전극을 통해 고전압이 가해지면서 오존으로 변화되어 마이크로채널 출구로 배출되는 것을 특징으로 하는
    오존수를 이용한 비가열 살균 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상온에서 오존수 생산용량이 최대 분당 60 리터, 최대 용존오존농도 2 ppm 미만 으로 처리 가능한 비가열 살균 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 용해 배관은 물의 이동 방향이 반복적으로 변화되도록 지그재그 형태로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 오존수를 이용한 비가열 살균 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 투입구와 배출구 사이에는 오존수가 순환되는 순환 배관이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 오존수를 이용한 비가열 살균 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 투입구와 배출구에는 각각 투입 제어 밸브와 배출 제어 밸브가 설치되어 있고, 상기 순환 배관에는 순환 제어용 밸브가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 오존수를 이용한 비가열 살균 시스템.
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