KR101787568B1 - 마이크로파 방사를 이용한 액체 처리 장치 - Google Patents

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이고르 안토노비치 코씰
에드워드 미카일로비치 바르쿠다로우
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Abstract

측벽과 마주보는 제1 및 제2 엔드 벽들을 가지고, 상기 제2 엔드 벽으로부터 미리 정해진 거리 d1에 배치된 상기 제1 엔드 벽으로 이루어져, 실질적으로 실린더형의 챔버로 정의되는 용기와, 유체가 흐르기 위한 파이프라인과, 상기 파이프라인은 상기 용기의 제2 엔드 벽을 향하여 상기 제1 엔드 벽을 통과하고, 상기 챔버 및 상기 파이프라인은 실질적으로 동축이고, 상기 파이프라인은 실질적으로 마이크로파 방사를 완전 투과하고, 상기 챔버 내에 λ 파장의 마이크로파를 방사하기 위한 상기 용기의 상기 측벽에 있는 마이크로파 방사 유입구와, 상기 거리 d1은 상기 챔버가 마이크로파 공명기가 되기 위해 실질적으로 λ/2의 정배수인 것을 포함하는 마이크로파 방사를 이용한 유체 처리 장치를 제공한다.

Description

마이크로파 방사를 이용한 액체 처리 장치{APPARATUS FOR TREATING A LIQUID WITH MICROWAVE RADIATION}
본 발명은 유체들(fluids), 슬러리들(slurries), 반고체들(semi solids), 현탁액들(suspensions)을 처리하는 방법 및 마이크로파 장치와 관련된 발명이다.
상기 처리하는 방법은, 예를 들어, 가열, 용융, 살균(sterilisation), 저온살균(pasteurisation), 조리(cooking), 화학적 반응들의 활성화(stimulating chemical reactions) 및 분리(fractionation)를 포함한다.
기존의 마이크로파를 방사(radiation)시켜 유체들을 저온살균, 살균, 취급하는 방법들과 장치가 알려져 있다. 이것들은 예를 들어, 특허 RU2087084에서와 같이, 일반적으로, 제조하기 어렵고, 많은 비용이 드는 복잡한 구성요소들을 포함하며, 도파관들 및 높은 전력의 마이크로파 에너지 소스(source)를 필요로 한다.
본 발명은, 마이크로파 방사를 이용한 유체 처리 장치로서 종래 시스템들보다 병원균을 죽이는데, 더욱 효과적이고, 훨씬 더 낮은 온도에서 유체를 살균하고, 저온 살균에도 이용할 수 있는 것을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 기술적 사상의 한 관점에 따라,
대체적으로(substantially) 실린더형의 챔버(cylindrical chamber)로 정의되고, 서로 마주보는 제1 및 제2 엔드 벽들을 가지는 용기와, 상기 제2 엔드 벽으로부터 미리 결정된 거리 d1에 배치된 상기 제1 엔드 벽과;
유체가 통과하여 흐르기 위한 파이프라인과, 상기 파이프라인은 상기 용기의 상기 제2 엔드 벽을 향해 제1 엔드 벽을 통과해 지나가고, 상기 챔버 및 상기 파이프라인은 실질적으로 동축(co-axial)이고, 상기 파이프라인은 실질적으로 마이크로파를 완전 투과하고, 상기 챔버 내에 λ파장의 마이크로파를 방사시키기 위한 상기 용기의 측벽(side wall)에 있는 마이크로파 방사 유입구와, 상기 거리 d1은, 상기 챔버가 마이크로파 공명기(microwave resonator)가 되기 위해 실질적으로 λ/2의 정배수(integral multiple)인 것을 포함하는 마이크로파 방사를 이용하여 유체의 흐름을 처리하는 장치를 제공하고 있다.
본 발명의 장치는 마이크로파 방사 소스로부터 처리되는 유체에 마이크로파 에너지를 전달하기 위해, 매우 효율적인 방법들을 제공한다.
처리, 취급, "마이크로파 방사에 의해 처리된" 및 그것들의 조합된 형태의 용어들은 열 처리, 비열 처리(non-thermal treatment)를 포함하고, 조리(cooking), 저온살균(pasteurisation), 살균(sterilisation), 응고(coagulation), 분리(fractionating) 및 생체분자(bio-molecules) 및/또는 바이러스들과 같은 다른 분자 종(molecular species) 및/또는 원생동물(protozoa)의 파괴 또는, 부분적 또는 대체적으로 완전히 비활성화(inactivation) 시키는 것을 포함한다.
본 발명에서 마이크로파를 방사시켜 처리하는 것은 단백질의 유체들(fluids), 예를 들면 혈액과 우유와 같은 단백질의 유체들에 대하여 특별히 효과적이다. 상기 처리로, 상기 단백질 유체의 특정한 요소들(components)을 파괴 또는 분리(fractionation)를 할 수 있다.
주어진 마이크로파 방사 소스(source)를 위한 일반적인 마이크로트론은 마이크로파의 파장(λ)으로 정해지는 작동주파수를 가지고, 상기 공명기(resonator) 챔버의 파라미터들과 그것의 공간에 찬 물질(contents)에 따라 어느 정도 의존한다. 따라서, 예를 들면, 2.45 GHz의 마그네트론이 진공에서 λ= 12.2 cms의 마이크로파 방사를 제공할 수 있지만, 일반적으로 본 발명 장치의 챔버에서는 대략 λ=13.0 cms의 마이크로파를 방사시킬 수 있다. 상기 용기 챔버에 의하여 제공되는 마이크로파 공명기의 효율은 마주보는 용기의 엔드 벽간의 거리인 d1과 대응되는 λ/2의 복수배에 따른 감도에 영향을 많이 받는다. 효율은 λ/2의 ±1 % 정도의 작은 d1의 편차에도 아주 민감하다. 그러나, λ(=2 x λ/2)의 ±10% 정도의 큰 d1의 편차에 대해서는 상당히 덜 민감하다. 더욱이, 효율은 d1이 λ/2의 배수로 증가함에 따라 감소한다. λ 배수의 수가 클수록, 상기 장치는 더욱 더 복잡하고 번거로워진다(cumbersome). 그러므로, 바람직한 d1은 λ/2의 1에서 3배수, 유리하게는, λ/2의 1 또는 2배수이다. 바람직한 d1은 실질적으로 λ(= 2 x λ/2)이다.
상기 용기 챔버의 내부 직경 d2는 상기 길이 d1보다는 덜 중요하다. 그러나, 상기 내부 직경 d2에 대해 0.6λ보다는 작지 않고, 2λ보다는 크지 않도록 선택하는 것이 바람직하다. 바람직한 d2는 1 에서 2λ까지이다. 상기 용기 챔버 벽들은 보통 전기적으로 전도성인 물질, 바람직하게는 높은 전도성의 금속, 가급적이면 스테인레스 스틸(stainless steel), 구리(copper), 알루미늄(aluminium), 황동(brass) 등과 같은 금속에 의해 만들어지거나, 그것들로 코팅되어야 한다. 가장 바람직하게, 상기 챔버 벽들은 은판 또는 금판이다. 상기 물질은 일반적으로 상기 용기 챔버 벽들이 마이크로파 방사의 흡수 또는 상기 용기 챔버의 내부로부터 마이크로파 방사의 누출(leakage)을 최소화할 수 있도록 정해진다.
기존의 어떠한 마이크로파 소스도 본 발명에서 사용되어질 수 있다. 시중에서 상업적으로 구할 수 있는 마그네트론, 즉 마이크로파 요리 장치에 사용되는 것도 사용되어질 수 있다. 이러한 것들은 넓게 사용되고, 상대적으로 싸다. 그리고, 본 발명의 장치에 쉽게 포함될 수 있다. 그러한 마그네트론들은 일반적으로 2.3 내지 2.7GHz, 예를 들면, 2.45GHz 또는 2.6GHz (챔버 내에서 전형적으로 제공되는 마이크로파의 파장인, 13.04 내지 11.11 cms, 예를 들면, 약 12.24 또는 11.54 cms 에 대응하는 주파수) 범위의 주파수를 가진 마이크로파를 방사시킨다.
마이크로파는 상기 용기 챔버의 상기 측벽의 마이크로파 방사 유입구를 통해 상기 용기 챔버에 방사된다. 가급적이면, 상기 마이크로파 방사 유입구는, 중심의 세로축을 따라, 최고 에너지 레벨의 30~60%, 유리하게는 최고 에너지 레벨의 40~50%를 따르는 마이크로파 에너지 레벨의 위치에 존재하고, 상기 챔버의 세로축 방향으로 연장되는 d1에 대해 중심에서 벗어나 위치한다.
엔드의 벽들 사이의 마이크로파 방사 유입구의 실제 위치는 또한 d1 과 λ 사이에서 (d1≒λ)인 관계를 따를 것이다. 따라서, 적절한 위치는 원칙적으로 상류측 엔드벽으로부터 하류측 엔드벽의 거리인 d1의 10~15%, 30~35%, 55~60%, 75~80%의 어떤 것도 될 수 있다. 그럼에도, 가장 바람직하게는, 상기 마이크로파 방사 유입구는 d1의 75~80%에 위치하는 것이다. 마이크로파 방사 유입구가 유체가 흘러가는 방향의 제2 엔드 벽(하류측)에 더 가깝게 위치하는 것은 보다 점진적인 처리를 제공하고, 상기 파이프라인을 따라 최대 마이크로파 방사 에너지가 제공되는 점 부분에 도달하기에 앞서 처리되어질 유체의 흐름에 부분적으로 더 많은 열을 제공하게 한다. 상기 파이프라인에 유체가 존재할 때, 일반적으로 마이크로파 방사 소스에 대해, 장치의 복잡성과 제조단가를 상당하게 감소시켜 주기 위한 보호장치가 반드시 필요한 것은 아니다.
그럼에도 불구하고, 필요하다면, 상당한 마이크로파 에너지가 반사되는 것으로부터 소스를 보호하기 위한 것은 이용될 수 있다. 그러한 경우, 물론 마이크로파 방사 유입구의 다른 위치들은 소스가 손상을 받는 위험이 없는 위치가 될 수 있다. 적절한 보호 장치들은 일반적으로 본 발명의 기술분야에서 잘 알려져 있으며, 전형적으로는 마그네트론에서 연장되는 도파관에 마이크로파 에너지가 다시 반사되지 못하게 하는 체크 밸브(non-return valve)와 같이 작동되도록 설치하는 페라이트 부품을 포함한다.
다른 방향들의 다양한 장치들, 예를 들어, 수직의 파이프라인 정렬의 장치 및 수평의 파이프라인 정렬의 장치를 포함하는 장치들이 사용되어질 수 있다. 후자는 일반적으로 챔버 안에서 발생하여 마이크로파 방사 소스에 손상을 줄 가능성이 있는 가스 거품들의 위험을 실질적으로 최소화 할 때 바람직하다.
그럼에도 불구하고, 다른 정렬들, 예를 들면, 경사지게 한 파이프라인도 또한 사용되어질 수 있다. 그러한 경우 수평으로 정렬된 파이프라인이 사용되어지는 유체를 취급하는 기술분야에서 잘 알려진 다양한 사례의 적절한 버블 트래핑 방법(bubbletrapping means)들이 제공되어질 수 있다. 예를 들면, 파이프라인의 하류측 엔드 부분은 장치보다 더 높은 높이의 유출구(outlet)가 있는 파이프와 순조로운 흐름을 할 수 있다. 챔버의 측벽과 엔드 벽들에 대한 언급들은 장치의 방향과는 관계없이 챔버 내의 파이프라인의 정렬에 상대적이다.
적합한 마그네트론 마이크로파 방사 소스는 일반적으로 마이크로파가 방사되는 마그네트론의 바디로부터 바깥쪽으로 연장되는 원형의 막대형 안테나를 갖는다. 상기 용기 챔버는 마이크로파 소스가 실질적으로 마이크로파 방사 누출을 방지하는 접속을 형성하도록 연결시키기 위해 정렬되어 형성된다. 마이크로파 방사 소스의 바디는 챔버 측벽으로부터 떨어져 있고, 일반적으로 λ/4의 길이를 갖는 안테나가 마이크로파 방사 소스 바디로부터 상기 용기 챔버를 향하고 그 안으로 연장된다. 상기 장치의 성능은 파이프라인과 챔버 측벽에 대해 안테나의 엔드 부분의 위치가 가깝거나 먼 것에 상대적으로 민감하다.
안테나의 엔드 부분은 상기 챔버 측벽으로부터 3λ/16과 같거나 그보다 크고, λ/4와 같거나 그보다 작게 미리 결정되어 돌출되는 거리 d3에 배치될 수 있다. d3의 λ비율이 선택된 비율에서 벗어나면, 마크네트론에 손상을 줄 수 있는 마이크로파 자체 반사 때문에 마그네트론에 열 전달이 증가한다.
이러한 원하지 않는 에너지 전달은 또한 유체의 흐름을 처리하는데 있어 낮은 효율을 발생시킨다. 바람직한 d3는 λ/5의 +/- 10% 범위내이다. 상기 장치의 성능은 또한 챔버의 길이 d1을 따라 챔버의 엔드 벽들로부터의 안테나의 위치에 민감하다는 것이 실험적으로 발견되었다. 이러한 거리들은 d4, d5로 참조되는데, d4는 용기 챔버의 엔드 벽들의 하나로부터 안테나까지의 거리이고, d5는 용기 챔버의 다른 엔드 벽으로부터 안테나까지의 거리이다. d4 및 d5의 합은 d1과 같다.
본 발명의 바람직한 일면에 따라, 본 발명은 상기 마이크로파 방사 유입구와 연결되는 마이크로파 방사 소스가 제공되고, 이를 순조롭게 조작할 수 있는 장치를 포함하는 유체 처리 장치를 제공한다.
상기 장치는 처리되는 유체의 온도를 감지하기 위해 온도를 감지하고 모니터링할 수 있는 수단들이 제공된다. 적합한 온도 센서들로는 저항 온도계, 열전쌍, 기타를 포함하며, 이에 한정되지 않는다.
상기 온도 센서는 마이크로파 방사를 다양한 강도로 제공할 수 있는 마이크로파 방사 소스 제어부에 연결될 수 있으며, 또는 보다 바람직하게, 유체의 과열을 방지하기 위해서, 가변적 유동율 펌프(variable flow rate pump), 유동 제한 밸브(flow restriction valve), 기타 유체 유동 제어부와 연결될 수 있다. 이것은 생체학적인 유체들(biological fluids), 혈액, 플라즈마, 우유, 기타 열에 민감한 유체들에 있어 중요하다. 예를 들어, 유체의 물질들의 응고, 응결 기타를 방지하기 위해 유체의 과열을 피해야 한다.
그렇게, 유체를 제어하는 것은 또한, 예를 들어, 요리, 저온살균, 살균, 분리 또는 화학반응을 처리하는 상황에서 정확한 온도의 제어를 가능하게 하고, 노출 시간을 정확하게 제어하는 것을 가능하게 하기 위한 특정한 경우들에 있어서 중요하다.
본 발명의 장점은 마이크로파 방사로 제공되는 열의 비접촉 특성이 일반적으로, 파이프라인의 내부 벽들에서 특히 유체의 흐름이 국부적으로 과열되는 위험을 상당히 감소시키는 것이다.
상기 파이프라인은 가급적이면 얼마나 길게 연장되더라도 실질적으로 마이크로파 방사 에너지를 흡수하지 않도록 마이크로파 방사를 완전히 투과시키는 물질로 제조된다. 바람직하게 그러한 물질은 2 내지 4의 유전상수(dieletric constant)를 가진다.
적절한 물질들로 석영, 폴리에틸렌 및 가급적이면, PTFE(polytetrafluorethene)을 포함한다. 상기 파이프라인 벽은 얼마라도 적절한 두께가 될 수 있으나, 파이프라인을 통하여 펌핑되는 유체에 의해 가해지는 압력을 견딜 수 있도록 충분히 강해야 한다.
일반적으로, 파이프라인은 3~10mm, 전형적으로는 5~8mm의 벽두께를 가진다. 그러한 파이프라인은 파이프라인 내부의 유체에 마이크로파 방사가 흡수될 때까지, 파이프라인 물질 자체를 통해 전파되는 마이크로파의 유전체 안테나로 작동할 수 있다. 마이크로파 방사 에너지가 파이프라인을 통하여 흐르는 유체의 온도를 증가시킬 때, 유체의 유전상수는 감소하고, 마이크로파 방사 투과는 증가한다. 이러한 결과로, 파이프라인의 중심의 유체(예로, 파이프라인 중심의 세로 축을 따라 존재하는 유체)는 더욱 집중적으로 처리될 수 있다.
유리하게는, 상기 파이프라인의 중심부 가까이와 중심부 바깥쪽 사이에 흐르는 유체 처리의 균일성을 증가시키기 위해, 파이프라인 내부에 정적이거나 동적인 혼합 장치(mixer)가 제공된다. 더욱이, 흐르는 유체에 마이크로파의 흡수를 증가시키기 위해 상기 장치는 예열 장치(pre-heating device)를 구비할 수 있다. 그러한, 예열 장치는 전기 저항 열 요소들(electrical resistance heating elements), 열 교환기들(heat exchangers), 기타 구성에 기반하여 유체와 접촉하는 것, 열 교환 요소(heat exchange element)를 통해 흐르는 유체에 열 교환으로 열을 전도시키는 방법들에 의해 열을 제공하는 것, 방사 에너지 또는 대류 에너지를 제공하는 가열기들과 같이 다른 종류의 에너지 공급원들에 기반하여 열 에너지를 방사시키는 것을 포함하는 다양한 형태로 이루어질 수 있다. 일반적으로 예열하는 것은 유체의 온도를 높이기 위해서 바람직하게 수행된다.
예열을 함으로써, 유체에 마이크로파 방사 에너지가 투과하는 것을 증가시키는 장점을 갖는다. 이것은 처리 과정의 효율성을 증가시킨다. 예열기가 사용되는 곳에서는 유체의 응고 등을 피하기 위해 국부적으로 유체가 과열되는 것을 방지하기 위해서 주의해야 한다. 예를 들어, 혈액이 열을 받을 때 온도 40℃를 넘어서는 안 된다. 또, 마그네트론들을 식히기 위해 사용되는 냉각 수단과 사용 가능한 다른 구성요소들은 유체를 예열하기 위한 열의 소스로서 사용되어질 수도 있다.
펌프는 파이프라인을 통하여 가열되는 유체를 흐르게 하기 위해 제공되어질 수 있다. 상기 펌프는 기어 펌프들(gear pumps), 왕복 피스톤 및 실린더형 펌프들(reciprocating piston and cylinder type pumps), 베인 펌프(vane pump), 사반펌프(swash plate pump), 연동 펌프(peristaltic pump) 및 펌프와 같이 작동하는 양변위 장치들(positive displacement devices), 모노펌프(progressive cavity pump) 등에 한정되지 않고, 다양하고 적절한 다른 펌프들을 포함한다.
복수개의 개별적인 상기 유체 처리 장치들이 직렬로 연결되어 모듈식의 형태로 제공되어 파이프라인을 통해 흐르는 유체가 연속적으로 연결된 모듈들에 있는 각각의 마이크로파 방사 소스들로부터 마이크로파를 방사될 수 있게 할 수 있다. 이렇게 하여, 높은 유동률(flow rate) 및/또는 최적의 개별적인 마이크로파 방사 처리 장치 모듈의 배치를 유지하면서 정해진 유동률을 이루면서도, 더욱 긴 처리 체류 시간을 가능하게 하는 장점이 있다. 이렇게 연결하여, 연속적인 모듈들을 통과하는 파이프라인의 하류측 흐름과 상류측 흐름의 엔드 부분들은 유체의 흐름을 실질적으로 방해하지 않도록 연결될 수 있다. 더욱이, 다른 실시예로 복수개의 모듈들이 병렬로 연결되어질 수 있다.
바람직하게, 파이프라인의 외경 d6 ≥λ/π 이다. 예를 들면, 약 13 cm와 같은 λ의 마이크로파가 사용되어질 때, d6는 가급적으로 41mm 에서 65mm의 범위이다. 연결된 모듈들의 마이크로 방사 소스들의 마이크로파의 상호작용을 제한하기 위해서 가장 바람직한 값은 45mm 에서 50mm의 범위이다. 용기 챔버들을 연결함으로써 파이프라인을 통하여 흐르는 유체는 복수개의 용기 챔버들에서 순차적으로 처리될 것이다. 용기 챔버들을 연결하는 수를 증가시킴으로써 더 많은 유체의 양을 처리가 가능하게 되어 유체의 유동률은 증가될 수 있다. 스페이서들은 처리 모듈들의 수가 얼마나 주어지더라도 파이프라인의 길이를 증가시키기 위해 모듈들 사이에 도입될 수 있다. 처리 모듈들의 수를 변화시킴으로써 유체의 잔류 시간은 어떤 온도가 주어지더라도 다양해질 수 있다.
압력 제어 시스템은 장치의 다양한 압력을 가능하게 하고, 장치의 유출구에서 제공될 수 있다. 이것은 파이프라인의 물질들과 구조들의 물리적인 특성들에 의해 정해지는 다양한 처리 계수들(treament parameters)을 가능하게 할 수 있다.
많은 용기 챔버들이 연결될 때, 인접하는 용기 챔버들로 침투하는 마이크로파 방사가 있을 가능성이 있다. 바람직한 파이프라인 외경 d6는 λ/2 보다 작고, 챔버의 엔드 벽들은 파이프라인 주변으로 칸막이벽(diaphragm)의 형태이어서, 용기 챔버들 간의 마이크로파 방사 침투의 발생이 줄어든다. 전형적으로, 칸막이벽은 금, 구리, 또는 황동과 같은 금속으로 이루어진다. 또한, 덜 효과적일 수도 있을지라도 스테인리스 스틸도 대체 금속으로 사용되어질 수 있다. 메시드 메탈(meshed metal)도 또한 적합하게 사용되어질 수 있다. 그러나, 이것은 일반적으로 시트 메탈(sheet metal)보다 비싸다. 가급적 용기 챔버의 내부와 파이프라인의 외부 사이(d7)(예를 들어, d2-d6)의 고리모양 공간의 두께는 λ/2 ±1% 와 같다.
파이프라인 d8의 내경은 처리되어질 유체와 침투하는 마이크로파에 따라 적절한 크기의 값으로 선택된다. 마이크로파 침투가 더 커질수록 d8을 더 크게하여 여전히 파이프라인의 중심에서 유체의 효과적인 처리를 제공할 수 있다. 예를 들면, 마이크로파는 약 10~12 mm의 물을 침투할 수 있다고 알려져 있는데, 반면에 혈액에서는 더욱 깊이 침투할 수 있으므로, 혈액의 온도가 증가하면, 침투하는 깊이가 더 증가한다. 예열된 혈액에 대한 침투의 상위 수준은 약 15 mm로 보인다. 30mm~32mm의 내경 d8을 가진 파이프라인들이 혈액을 처리하는 장치에서 적합하다고 보인다.
발명가들은 다음의 과정에 따라 일반적으로 결정될 수 있는 장치의 구성요소인 d1 에서 d8의 크기들의 값들을 찾아내었다. 챔버의 내경 d2은 가급적 2λ보다 크지 않고, 0.6λ보다 작지 않는 범위를 만족하고, 장치에 실용적인 크기를 제공하기 위해 쉽게 구할 수 있는 적절한 크기의 표준규격 파이프들에 기반하여 결정된다. 이에 따라 파이프도 선택된다. 이것은 바람직한 범위인 λ/π≥ d6 < λ/2 을 포함되는 외경 및 위에서 설명한 것과 같이, 유체를 처리하는데 적절한 내경 d8을 갖게 한다.
d1 값은 일반적으로 실험적으로 쉽게 결정될 수 있는 수치들 d3 및 d4 (및 d5)과 선택한 λ/2의 배수값에 따라서 미리 결정된다. 마그네트론의 최소 온도와 유체의 최고 온도를 제공하기 위해 요구되는 서로 다른 d3 와 d4를 구하는 것은 일반적으로, 처리된 유체의 온도 상승과, 1분 넘게 마그네트론의 온도의 상승 증가값을 측정하여 구할 수 있다. 그러한 배치는 유체에 흡수되지 않는 에너지를 최소화되게 하고, 상기 마그네트론으로 반사되는 마이크로파 에너지의 총량만큼 유체에 열을 주기 위한 가장 효율적인 환경들을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 관점에서, 다음과 같은 단계들 : 본 발명의 유체 처리 장치를 제공하는 것; 상기 장치의 마이크로파 방사 소스로부터 발생한 마이크로파를 방사시키는 동안 상기 장치의 파이프라인을 통해 상기 유체의 흐름을 지나가게 하는 것; 으로 구성된 마이크로파 방사를 이용하여 유체를 처리하는 방법을 제공한다.
장치를 통과하는 유체의 유동률은 다양한 요소들, 즉, 파이프라인 용량, 용인될 수 있는 유체의 배압(back pressure), 요구되는 처리 강도, 잔류 시간, 처리 온도, 공급되는 마이크로파 방사 에너지, 공급되는 유체의 온도, 부유물질의 종류, 유전상수, 전도도(conductivity level), 마이크로파 방사 침투율, 혼합된 정도 등 과 같은 유체의 특성들에 의해 결정된다. 일반적으로, 적절한 유동률(flow rates)은 단순한 시행착오에 의해서 간단히 결정할 수 있다.
편의상, 적어도 일부 경우들에서는, 적절한 유동률은 장치의 하류측 엔드 부분에서(이것이 1개 챔버가 있는 장치이든지, 여러 개 챔버가 있는 모듈식 장치이든지 관계없이) 미리 결정된 온도 수준을 달성하기 위해 간단히 조정하는 것에 의해 얻을 수 있다. 따라서, 예를 들어, 혈액과 같은 생물학적 유체 폐기물의 살균 목적을 위해, 유동률은 가급적 대기압에서 적어도 98℃의 유체 온도를 달성하기 위해 조절될 수 있다.
교반 장치는 유체가 장치를 통해 흐를 때 유체를 교반하기 위해서 제공될 수 있다. 이것은 시스템을 세척하기 위해 필요한 시간을 감소시켜 장치의 유지를 용이하게 하고, 파이프라인에서 남은 누적물 또는 응고된 잔류물 때문에 파이프라인이 막히게 되는 가능성을 줄여준다. 교반 장치는 장치가 작동할 때, 국소적인 퇴적물(hot spots building up)의 발생을 감소시킨다. 특별히 간단하거나 단순한 교반장치는 긴 막대, 예를 들면, 3 ~ 4 mm 의 스테인리스 스틸 막대, 또는 나선형 줄(helical wire) 또는 파이프라인의 길이를 따라 파이프라인의 중심에서 연장되는 금속 막대(metal rod)로 구성되며, 용이하게 전기 모터와 같은 회전 구동 장치의 일측 엔드 부분에 동력적으로(drivingly) 연결된다. 가급적이면, 줄 또는 막대는 적절한 내경의 PTFE 튜브에 의해 보호 및/또는 씌워져야 한다.
혈액과 같은 걸쭉한 액체에서, 교반장치는 최대한 중심부(hub)의 일측에 설치되고, 교반장치는 파이프라인의 벽으로부터 0.5mm 거리를 갖는다. 일부 교반장치들은 유체의 특성에 따라 중심부의 양 반대측에 서로 쌍으로 설치될 수도 있다. 회전의 속도는 매우 중요하고 처리의 목적과 처리되는 유체에 따라 결정된다. 혈액과 같은 고단백질 액체의 경우 2800 RPM이 최적이다. 다른 액체들과 유체들에 대한 최적의 속도는 시행착오에 의해 결정될 수 있다. 회전 장치에 대한 유체 흐름의 방향은 중요하다. 일반적으로 점성이 있는 유체는 유동률이 상대적으로 높거나 (17 리터/분) 매우 많은 양의 부유물질이 있어서 회전장치로부터 떨어지게 액체를 흐르게 하는 것이 가장 좋다. 이것은 처리 챔버의 하류측 엔드 부분에 회전부를 위치시킴으로써 달성할 수 있다. 유동률이 낮은 경우(17 리터/분 보다 낮을 때) 및 액체에 많은 부유물질은 없지만 점성이 있는 경우에는 회전장치부의 근처에서 유체를 흐르게 하는 것이 가장 좋다. 이것은 처리 챔버들의 상류측 엔드 부분에 회전장치부를 위치시킴으로써 달성할 수 있다.
특정한 환경, 특별히 유체의 점성이 매우 크고 부유물질도 많은 경우에는, 회전 장치에 고체 물질의 퇴적이 없게 하기 위한 규칙적인 기간동안 회전의 방향을 변화시킬 수 있는 장점이 있다. 혈액의 경우 그러한 기간은 10분이다. 처리되는 유체의 형태 및 처리 온도에 의존하므로, 유체 또는 그것의 성분들에 의한 점착을 피하기 위해 적절한 물질로 코팅이 된 교반장치가 필요할 것이다. 그러한 적절한 물질들은 PTFE 및 PEEK에 한정되는 것은 아니다. 이러한 환경에서 교반장치를 적합한 물질로 만들어진 튜브에 삽입하는 것이 최선이 될 것이다. 그러한 튜브는 교반장치의 외경과 같은 내경을 가질 것이다.
그러한 방법이 사용되는 경우, 회전 수단인 교반장치와 연결된 중심부는 교반장치 및 그것의 커버가 회전장치로 연결되는 클램프로서 사용되기 위해 2 등분으로 만들어져야 한다. 교반장치의 속도가 느린 특정한 경우에는, 대체 물질들이 스테인레스 스틸 막대 또는 줄을 대신하여 유리하게 이용되어질 수 있다. 그러한 물질들은 실질적으로 마이크로파 방사를 완전 투과(transparent)해야 하고, 마이크로파 방사 에너지를 크게 흡수해서는 안 된다. 가급적, 그러한 물질은 2~4 범위의 유전상수를 갖는다. 그러한 물질들은 PTFE(Polytetrafluorethene) 및 PEEK (Polyteheretherketone)을 포함하며, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 물질들로 만들어진 막대들의 직경은 일반적으로 스테인리스 스틸로부터 만들어진 막대들의 직경보다 클 것이다.
액체로 운반되는 매우 다양한 유체들로서, 에멀젼들(emulsions), 서스펜션들(suspensions), 반고체들 및 고체들은 다양한 목적들을 위해 본 발명의 방법들에 의해 처리되어질 수 있다. 따라서, 식품 산업계에서 이용되고 생산되는 많은 유체들로서, 우유, 혈액, 과일 주스들, 맥주와 같은 제품들 및 지방들은 살균(sterilised)되거나, 저온 살균(pasteurised)되고, 요리(cooked)되거나 용융되어질 수 있다. 쌀, 내장(offal), 기계적 회수육(mechanically recovered meat)과 같은 유체에서 운반되어질 수 있는 많은 고체들은 살균되고, 저온살균되거나 요리될 수 있다.
식음료 산업의 폐기물 뿐만 아니라, 하나 또는 그 이상의 혈액, 혈청, 림프액을 포함하는 특별히 체액들과 같이 많은 생물학적 유체 물질들의 고단백질 유체들이 공설 하수구(public sewer) 또는 다른 간단한 방법들로 배출할 수 있게 하기 위해 응고 및/또는 살균에 의해 분리될 수 있다. 몇몇 반응물들을 포함하는 유체들은 수율과 반응시간을 향상시키기 위한 처리가 될 수도 있다.
본 발명의 마이크로파 방사를 이용한 유체 처리 장치는 종래 시스템들보다 병원균을 죽이는데 더욱 효과적이고, 훨씬 더 낮은 온도에서 유체를 살균하고, 저온 살균에도 이용할 수 있다.
또한, 표면 열전달(heat transfer surfaces)들을 이용하는 기존의 열 처리 방법들에 비해 국부적인 과열에 의한 손상과 열적 요소들의 과열 및 열 효율성의 급격한 감소를 방지한다.
또한, 본 발명은 기존의 시스템들보다 더욱 에너지 효율적이다.
또한, 완전한 살균을 이루기 위한 온도, 압력, 잔류 시간의 감소를 달성할 수 있으며, 크게 감소된 온도와 압력에서 단백질을 파괴할 수 있고, 특정한 화학적 반응시간과 수득률(yield)을 증가시킬 수 있다.
또한, 장치 전체가 차지하는 공간이 적고, 적은 비용으로 대기 동작이 가능하며, 아주 작은 시동 및 종료 시간을 갖는다.
더욱이, 본 발명의 바람직한 특성들과 장점들은 첨부되는 도면들을 참고하여 상세한 설명과 아래와 같은 실시예들의 형태로부터 보여질 것이다.
도 1은 유체 처리 장치에 대한 단면도이다.
도 2는 또 다른 멀티 모듈인 유체 처리 장치의 단면도이다.
도 3은 혈액 폐기물 처리 시스템의 대표적인 도면이다.
도 4는 혈액 폐기물 처리 시스템의 더욱 상세한 도면이다.
도 5는 또 다른 멀티 모듈인 유체 처리 장치의 도면이다.
도 1은 d1의 거리만큼 떨어져 마주보고 있는 제1 상류측 엔드 벽(3)과 제2 하류측 엔드 벽(4) 및 측벽(5)으로 이루어져, 실질적으로 내부 직경 d2를 갖는 실린더형의 챔버(6)로 정의되는 용기(vessel)(2)를 포함하는 유체 처리 장치(1)를 보여주고 있다. 용기(2)의 벽들은 스테인리스 스틸로 만들어진다. 왜냐하면, 벽들에서 마이크로파 에너지의 손실을 줄여줄 수 있는 다른 금속들, 금, 구리, 황동 또한 사용되어질 수 있다고 할 지라도, 그것이 상대적으로 더 싸고, 실용적이기 때문이다.
마그네트론(7)은 상기 챔버(6)의 내부로 연장되는 마그네트론(7)의 안테나(9)가 통과하는 측벽(5)의 관으로 된 유입구(8)에 연결된다. 상기 유입구(8)는 용기(2)와 마그네트론(7)의 사이에서 마이크로파 방사가 실질적으로 누출되지 않도록 형성하기 위해, 마그네트론(7)의 바디(11)에서 실질적으로 평면(planar)인 앞면(10)에 용접에 의해 연결된다.
마그네트론(7)은 용기의 엔드 벽들(3, 4)에 실질적으로 평행하게 연장되는 안테나(9)와 같이 d1 거리로 구분되는 각각의 내부 엔드 벽의 중심을 벗어난 위치에서 용기(2)와 연결된다. 그리고 마그네트론(7)은 용기(2)의 제2 엔드 벽(4)으로부터 d5=2.5cm이고, 제1 엔드 벽(3)으로부터 d4=10.5cm의 거리에 있다.
거리 d5는 안테나(9)가 용기의 길이를 따라 정상파(standing wave)의 전기장의 최소점과 최대점 사이의 대략 중간 점에 위치하는 것과 같이 실험적으로 쉽게 결정이 될 수 있다. 마그네트론(7)은 마이크로파 출력 주파수 2.45 GHz 및 전력 출력 1400W를 가지고, 챔버에서 약 λ=13cm 파장의 마이크로파를 발생시킨다.
마이크로파는 챔버(6) 내부의 안테나(9)로부터 방사된다. 안테나(9)의 엔드 부분(13)은 챔버(6)의 측벽(5)로부터 d3의 거리로 돌출된다. 다양한 장치의 중요한 수치들은 각각 대략 다음의 d1≒λ; d2≒1.3λ; d3≒λ/5에 따르는 파장에 관련이 있다.
용기(2)는, 용기(2)의 제1 엔드 벽(3)으로부터 제2 엔드 벽(4)을 향하고, 용기(2)의 챔버(6)를 통과하여 그 내부로 연장되는 파이프라인(14)을 가지고 있다. 파이프라인(14)은 실질적으로 실린더형의 챔버(6)와 동축이고 중심이 같다. 용기 엔드 벽들(3, 4)은 구리, 황동과 같은 금속으로 형성된다. 파이프라인(14)의 벽(15)은 PTFE(실질적으로 마이크로파 방사를 완전 투과한다)로 만들어진다. 마이크로파는 파이프라인(14)의 벽(15)을 통해, 파이프라인(14)의 내부(16)로 방사된다. 파이프라인(14)은 외경 d6 ≥λ/π (약 48mm)을 갖고, 약 30mm의 내경 d8을 가진다.
상기 장치(1)에 의해서 처리되는 유체(17)는 용기(2)의 제1 엔드 벽(3)으로부터 용기(2)의 제2 엔드 벽(4)으로 화살표로 표시되는 방향을 따라, 파이프라인(14)을 통하여 흐른다. 그리고, 유체(17)가 챔버(6)를 통과하는 파이프라인의 내부(16)를 통과할 때 마이크로파 방사를 받도록 한다. 용기 챔버 내의 마이크로파 방사의 공명은 용기 챔버의 제1 엔드 벽과 제2 엔드 벽들 사이에서 파이프라인의 세로축을 따라 제공되는 마이크로파 방사의 입력 파워 레벨을 변화하게 한다. 실질적으로 앵귤러리 유니폼 에너지 값들(angularly uniform energy)은 용기 챔버 내경 d2 와 길이 d1의 비율이 1~2 범위 내일 때 얻어질 수 있다.
그러한 조건들을 만족하고, 마이크로파 방사가 용기 챔버의 제1 엔드 벽과 제2 엔드 벽 사이의 파이프라인 축의 길이를 따라 선택된 위치에서 용기 챔버로 들어올 때 공명이 된 마이크로파는, 용기 챔버의 제1 엔드 벽과 제2 엔드 벽 사이의 하나 또는 그 이상의 위치들에서 최대 강도를 가진다. (얼마나 많은 λ/2 배수가 d1에 대응하는지에 따라 결정된다.) 그리고, 용기 엔드 벽들에서 최소 마이크로파 방사 강도(2 또는 그 이상의 최대값들 사이)를 갖는다.
도 1의 장치에서, 공명된 마이크로파 방사 에너지는 일반적으로 용기(2)의 제1 엔드 벽(3)에서의 최소값으로부터, 용기(2)의 제1 엔드 벽(3)으로부터 엔드 벽들 사이의 대략 25% 에서의 최대값까지 파이프라인(14)의 중심 세로 축을 따라 사인곡선적인 방식(sinusoidal manner)으로 점진적으로 증가한다. 그리고, 에너지는 75%에서의 다른 최대값으로 증가하기 전에 0으로 감소한다. 종국적으로 용기의 제2 엔드 벽(4)에서의 0으로 접근하면서 다시 감소한다.
일반적으로, d1이 λ/2의 배수일 때, 챔버 내의 구체적인 에너지 분포는 복잡할지라도 d1의 길이를 따라, d1의 0%, 50% 및 100%에서 에너지의 최소값들과, d1의 길이를 따라 d1의 25% 및 75%와 같은 위치에서 마이크로파 에너지 최대값들이 발견될 수 있다. 또한, 상기 파이프라인 내에서, 상기 분포는 그 안에 있는 유체의 특성들에 따라 결정된다. 예를 들면, 높은 수준의 전기적인 전도성을 가지는 혈액과 같은 유체가 파이프라인을 통하여 흐르는 경우, 마이크로파 방사는 수돗물과 같이 비교적 낮은 전도성을 가지는 유체들이 처리되어지는 때보다 더욱 파이프라인의 중심 축 방향으로 방사되어 깊숙이 침투될 수 있다. 그러므로, 처리되는 유체의 전도성은 또한 파이프라인의 직경의 선택에 있어 결정 요소가 된다.
도 2는 도 1에서 보이는 장치와 유사한 복수개의 개별적인 모듈들(19)이 직렬로 연결되어 있는 모듈 형태의 유체 처리 장치(18)를 보여주고 있다. 상기 모듈들(19)의 용기(2)의 상류측 엔드 벽들(3)은 연속적으로 연결된 모듈들(19)(하류측)의 용기(2)의 하류측 엔드 벽들(4)에 연결된다. 상기 용기 벽들(3, 4)은 너트들과 볼트들과 같은 분리할 수 있는 파스너의 수단들에 의해 간결하게 분리될 수 있도록 서로 고정된다. 상기 용기 벽들(3, 4)은 구리나 황동으로 형성되고, 이웃하는 모듈들(19) 사이에서 마이크로파의 전파를 최소화시키도록 격막(diaphragm)의 형태로 형성되고, 상기 격막과 파이프라인(20)은 서로 맞도록 상대적으로 가깝게 접촉된다. 공통된 하나의 파이프라인(20)은 각각의 모듈(19)에 파이프라인 세그먼트(21)를 제공하기 위해서 개별적인 모듈(19)과 용기(2)를 통과한다.
상기 파이프라인(20)을 통하여 화살표로 도시한 방향으로 흐르는 유체(17)는 순차적으로 도 1에서와 같이 마그네트론(7)이 제공되는 각각의 연속적인 모듈들(19)로 들어간다. 각 모듈(19)의 마그네트론(7)은 모듈(19)의 파이프라인(20) 각각의 세그먼트(21)에 존재하는 유체(17)를 처리하기 위해 마이크로파를 방사한다. 유체(17)가 파이프라인(20)을 통해 흐를 때 순차적인 모듈들(19)에서 연속적으로 마이크로파 방사 처리가 된다. 파이프라인(20)은 맞붙여 연결되는 모듈 191, 192에서 마그네트론(7)의 상호작용을 최소화하고, 챔버(6)의 한 모듈(191)로부터 다른 모듈(192)로 마이크로파 방사 전파를 억제하기 위해서 대략 λ/π의 외경 d6으로 제한된다.
용기(2)의 상류측의 펌프(P)와 2개 밸브들(22)은 파이프라인(14)을 통한 유체의 유동율(rate of flow)을 제어한다. 온도 센서(23)는 용기(2)의 파이프라인(14)에서 처리되는 유체의 온도를 감지하기 위해서 제공된다. 제어부(24)는 온도를 모니터한다. 제어부(24)는 펌프(P)와 마그네트론(7)과 연결된 (25)와 연결된다. 제어부(24)는 유체(17)가 과열되지 않을 정도로 적당한 처리가 되도록 충분히 열을 받게 하기 위해서 흐르는 유체(17)의 온도에 따라, 파이프라인(14)(및 선택적으로 마그네트론(7)의 파워 출력)을 통해 흐르는 유체를 펌핑하는 펌프(P)의 속도를 제어한다.
파이프라인 벽(15)에 처리되는 유체에서의 침전물 퇴적을 방지하기 위해서, 전기 모터(M)의 형태로 회전 드라이브(rotary drive)(29)를 구동하기 위해 연결된 선단측(28)에 일반적으로 단단한 나선의 와이어(27)를 포함하는 회전유동부(flow rotation unit)(26)를 제공한다.
도 3은 펌프(32)에 의해서 전달된 혈액 액체 폐기물을 저장하는 저장 용기(31)를 포함하는 혈액 폐기물 처리 시스템(30)이다. 예열기(33)는 응고가 발생할 수 있는 수준으로 혈액 액체 폐기물의 온도로 올라가는 위험을 피하게 하는 한편, 마이크로파 방사 처리의 효율성을 증가시키기 위해서 혈액 액체 폐기물의 온도를 약 35 ~ 37℃로 올리기 위한 열을 제공한다. 한편, 마이크로파 방사 처리 장치(34)가 제공되고, 이것은 많은 개별적인 모듈들, 예를 들면 10개의 모듈들(도 1을 참고하여 설명한 것처럼)이 직렬로 연결된다(도 2에서와 같이). 마이크로파 방사 처리 장치(34)는 유체가 장치를 통해 흐를 때 작동되는 회전유동부의 형태의 교반장치(35)를 포함한다.
상기 장치는 일반적으로 도 2에서 보여준 바와 유사하나, 더욱 효과적으로 교반하고 더욱 단단하기 위해서 서로 꼬여진 각각 약 4mm 자체 직경을 가지는 와이어로서, 2개의 스테인리스 스틸(stainless steel)의 나선 와이어들을 포함한다. 유체를 회전시키기 위한 회전유동부의 동작은 파이프라인이 막히는 것을 방지하고, 시스템을 청소하는데 적은 시간을 걸리도록 도움을 준다. 마이크로파 방사 처리 장치(34)의 유출구(36)에서 처리된 혈액 폐기물의 온도는 일반적으로 80~100℃의 온도에 도달할 것이다. 결과적으로, 처리된 혈액 폐기물은 슬러지와 농축된 액체로의 분리가 일어날 것이다. 액체 부분은 침전 탱크(settling tank)(37)에 유도되고, 적절한 침전 시간(일반적으로 30분)후에 액체상(liquid phase)은 공설 하수도(public sewer)(38)로 방류된다.
만약, 더 살균 처리가 필요하다면, 마이크로파 방사로 처리된 혈액 폐기물의 액체 부분은 본 발명에서 참조되는 WO99/47230에서 설명되는 것과 같이, 액체에 직접적으로 고압 펄스 전류 방전(highvolage pulse electrical discharge)을 이용하여 편리하게 처리 장치(39)를 더 통과시킬 수 있다. 슬러지는 원심분리기(40)에 의해 먼저 탈수되거나 유기농 비료로서 바로 이용될 수 있다. 최적의 동작을 유지하기 위해서, 상기 시스템(30)은 마이크로파 방사 처리 장치(34)의 유출구(36)에서 혈액 폐기물의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(41)를 포함한다. 제어부(42)는 또한 적당한 수준에서 유체 유출 온도를 유지하기 위한 적절한 흐름을 통제하기 위해, 선택적으로 온도 센서에 연결되어 혈액 폐기물 유동율(flow rate)의 제어와 모니터링을 위해 제공될 수 있다. 에너지 입력부(energy input unit)(43)는 마이크로파 방사 장치(34)의 마이크로파 방사 소스인 마그네트론들을 제어한다.
도 4는 도 3에서 보인 것과 유사한 혈액 폐기물 처리 시스템을 더욱 상세히 보여준다. 여기에서, 화살표가 가리키는 방향이 유체가 흐르는 방향이다. 처리될 액체 폐기물은 3mm 그물망 필터 백(filter bag) 위에 놓인 8mm 그물망 필터 백으로 구성된 표면이 거친 필터(52)를 통하여 제1 저장 용기 (50)로 주입된다. 그리고, 제1 저장 용기(50)으로부터 제2 저장 용기(58)로 실질적으로 제1 필터와 유사한 제2 필터(56)를 거쳐 펌프(54)를 이용하여 펌핑된다. 액체 폐기물은 볼 밸브(ball valve)(62)와 다이아프램 밸브들(diaphragm valves)(64)를 통해 제2 펌프(60)을 이용하여 펌핑된다. 볼 밸브(62)는 간단하고 견고한(robust) 장치지만 조절가능하고, 정확한 유체의 유동률을 제공하지 못한다. 조절가능하고, 정확한 유체의 유동률을 제공하는 것은 마그네트론이 켜지기 전의 흐름을 조절하는데 필요하다. 다이어프램 밸브(64)는 이러한 조정이 가능하다.
상기 장치를 청소하는 경우, 물은 볼 밸브(67)의 제어에 따라 물 유입구(66)를 거쳐 장치 안으로 주입되어 파이프들을 세척할 수 있다. 처리되어질 액체 폐기물은 유동률을 제어하고, 모니터하는 유량계(flow meter)(68)를 지나간다. 그리고, 도 3에서 설명한 바와 같이, 직렬로 연결된 2개의 전기 예열기(69)를 지나서, 제1 마이크로파 방사 장치 반응기(72)로 들어간다. 각 반응기(72)는 도 2에서 설명한 바와 같이 10개의 모듈들이 직렬로 연결된 것으로 구성된다. 또한, 액체 폐기물은 각 회전 유동부(70)를 포함하는 직렬로 연결된 4개의 처리 반응기(72)와 연결된 파이프들(73)을 거쳐 흐른다.
다음의 처리에서, 처리된 액체는 또한, 고체와 액체 요소들의 분리를 위한 원심 분리기(79)나, 공설 하수구로 직접 연결된 물 배출구(78)로 액체상이 펌핑되기 위해(펌프(76)을 통해) 침전 탱크(settling tank)(74)로 수집된다. 액체상(liquid phase)과 고체상(solid phase)은 액체상 배출구, 리큐어(liqueur) 배출구(80) 및 슬러지 케이크(sludge cake) 배출구(82)를 통해 배출된다.
가축 도살장으로부터 발생한 혈액은 각각 챔버 안의 12.24 cm 파장의 마이크로파가 생성되는 1400W 마그네트론 마이크로파 방사 소스를 가지고, 30mm의 내경 d8과 48mm의 외경 d6를 가지는 파이프라인을 거쳐, 각각 13cm 및 17cm의 직경 d2와 길이 d1의 챔버를 가지는 도 4에서의 50개의 모듈들과 유사한 장치를 통과하여 흐른다. 혈액은 12.5 분의 총 마이크로파 방사 처리 체류시간과 각 장치의 챔버에서 15초 내의 체류시간을 제공하게 하기 위해 2000 리터/시간의 유동률로 장치를 통해 펌핑된다. 상기 장치의 하류측 엔드 부분에서 90℃에서 98℃ 근처로 증가되는 혈액은 장치의 상류측 엔드 부분에서 혈액의 온도가 35℃에서 37℃가 되기 위해 예열된다. 도살장에서 발생되는 신선한 혈액 폐기물을 처리하는 데 있어, 유리한 점들은 일부분의 구성성분들을 분석하는 것과, 응고에 의한 혈액의 분리에 따른 액체와 고체들의 비율을 측정하는 것에 의해 확인된다. 사실상 생물학적 산소 요구도(BOD)가 크게 줄어든 물이 대부분으로 구성된 액체(40-50%)만 남고, 처리된 총량의 50-60%를 나타내는 남은 혈액의 고체 부분에 포함된 모든 단백질이 발견된다.
이러한 액체의 BOD는 기존의 하수 시스템에서 간단하게 처리되어질 수 있을만큼 충분히 낮은 값이다. 혈액의 BOD는 미국공중보건학회(American Public Health Association)의 "Standard Methods of Water and Waste Water Analysis"에서 설명된 것과 같이, 표준 과정을 이용하여 산정된다. 일반적으로 상기 처리된 액체의 생물학적 산소 요구도(BOD)와 화학적 산소 요구도(Chemical Oxygen Demand)들은 처리되지 않은 혈액에 비하여 20 내지 25 감소한다. 어떠한 정해진 상황에서 이루어지는 BOD, COD 감소의 실제적인 크기는 혈액의 형태, 그것의 방치기간, 희석된 정도에 의존한다. 예를 들면, 양(sheep)의 혈액 폐기물들이 처리되어 질 때, BOD는 72000 mg/ml에서 4000 mg/ml까지 줄어든다. 한편, 닭의 혈액이 처리되어 질 때, BOD는 23000 mg/ml에서 918 mg/ml까지 줄어든다. 농축된 고단백질 고체들로 처리된 물질의 양이 줄어들 뿐 아니라, 살균되어 어떤 병원균으로부터도 무균하다. 이것은 고체 물질을 살균 컨테이너에 무균상태로 주입한다면 오랜 기간동안 저장할 수 있도록 한다. 이러한 안정성은 고체들을 어느 산업에서라도 고품질 단백질 공급원으로서 사용되어질 수 있도록 한다.
도 5는 도살장에서 사용되는 폐기물 처리 시스템(84)의 예시를 보여준다. 이 시스템은 모든 과정을 PLC로 제어하도록 컴퓨터화 되어 있다. 이러한 예시의 배치도는 혈액 원액의 처리과정을 시작하는 "on/off" 밸브(86), 레벨 센서(level sensor)(90)를 가지는 원액의 저장 탱크(88), 액체를 흐르게 하거나, 차단하는 스위치를 위한 밸브(92), 메세레이터(macerator)(94), 펌프(96), 레벨 센서(100)가 달린 프로세스 오수 탱크(process holding tank)(98), 수분 제거기(water purge)(104)에 대한 연결 부분을 포함한 양방향 밸브(102), 유량계(106)(유량 제어 및 유량 기록), 열 교환부(108), 직렬로 연결되고 수평으로 조립된 본 발명에 따른 3개의 처리 챔버들(110), 레벨 센서(114)를 가진 밀봉된 완충 탱크(112), 양변위 펌프(positive displacement pump)(116)에 설치된 나사송곳(auger), 열 회복 장치, 부분적으로 처리된 혈액을 오수 탱크(88)로 되돌리기 위해 방향을 바꾸기 위한 양방향 밸브(118) 및 탈수 시스템(120)으로 구성된다.
도살장에서 발생한 혈액은 원액 탱크에 유입되고, 필요에 따라, 메세레이터(macerator)(94)를 통해 펌핑되어 스테인리스 스틸로 된 프로세스 오수 탱크(98)로 유입된다. 원액 탱크(88)와 20개의 프로세스 오수 탱크들(98)은 각각 하이-하이(high-high), 하이(high), 로우(low) 및 로우-로우(low-low) 레벨 표시를 제공하는 레벨 센서(90, 100)가 설치된다. 오수 탱크의 혈액이 하이 레벨에 이르면, PLC 시스템은 자동적으로 메세레이터(94)와 펌프(96)의 스위치를 차단한다. 오수 탱크와 외부 물 공급원은 펌프와 양방향 밸브를 거쳐 처리 시스템에 연결된다. 전자 유량계는 이러한 단계에서, 혈액양의 유입을 조정/기록한다. 초기 시작하는 동안, 물은 양방향 밸브를 거쳐 처리 챔버들(110)안으로 유입된다. 그 때, 마그네트론 수냉각 시스템(magnetron water-cooling system)이 동작하여 마크네트론들을 냉각시킨다. 유량계가 시스템에서의 물의 현존량을 표시하면, 처리 챔버(110)의 모든 마그네트론들의 필라멘트들이 켜지고, 2분 후에 고압의 전력이 순차적으로 켜지는 모든 마그네트론들에 제공된다. 물은 도살장의 주요 상수원이나, 체크 밸브와 분리된 펌프를 가지는 개별 탱크로부터 공급될 수 있다. 초기에 물은 미리 정해진 비율(본 예시에서는 시간당 1200L)로 펌핑된다.
이것은 물의 온도가 과열되는 것을 방지하면서 빨리 오르게 한다. 마지막 처리 챔버에 남는 물의 온도가 요구되는 온도(65℃)에 이르면, 양방향 밸브(two-way valve)에 의해 혈액의 스위치가 켜지고, 물의 스위치가 꺼진다. 그 때, 혈액은 3개의 처리 챔버들(110)을 통과하기 전에 약 39-40℃로 가열시키기 위한 제1 열 교환기(108)를 통해 펌핑된다. 이것들은 각각의 동작을 손상시키지 않고, 폐색(blockage)의 방지와 세척을 하기 위해 바이패스(by-pass) 시키는 경우일지라도 언제나 항상 온라인으로 연결된다. 각 처리 챔버의 유입구 및 유출구 온도뿐만 아니라, 압력 및 혈액의 흐름은 PLC에 의해 모니터 된다. 이것은 PLC가 펌프 속도를 제어하는 것에 의해 최후 엔드 부분의 결과물이 요구하는 수준의 온도(95~100℃)를 가지도록 제어하게 한다.
처리부의 마지막 챔버는 스테인리스 스틸 파이프를 통해 밀봉되고 단열된 완충 탱크로 연결된다. 이것은 펌프를 거쳐 처리 잔류물의 온도가 100℃로부터 주위의 온도로 감소하게 하는 밀봉된 제2 수냉각 열 교환부에 연결된다. 처리된 물질의 온도를 이용하여, 데워진 물은 에너지를 절약하는 구조의 한 부분으로서 도살장으로 되돌아가게 할 수 있다. 주위의 온도로 식혀진 후, 처리되어 걸쭉해진 액체는 필요하다면, 처리된 물질이 건조되는 탈수 스크류(dewatering screw) 또는 원심 탈수기(dewatering centrifuge) 또는 바닥에 필터링된 물 배출구가 있는 단순한 탱크와 같은 탈수 시스템(120)으로 주입된다. 물이 제거된 후, 고체(cake)는 제거되거나 판매할 수 있다. 만약, 마지막 완충 탱크에서 살균한 물질을 요구한다면, 펌프와 탈수 시스템은 살균 처리된 물질의 저장수명을 보존하기 위한 무균성 용기들에 채우는 무균상태의 핫 필(hot fill) 방식 라인으로 교체된다.
비상/제거 모드(emergency/purge mode)는 흐름을 방해하고, 점진적으로 쌓여 처리 챔버들의 벽들에 달라붙는 부드럽고 반고체인 유기 물질이 있는 경우에 제공된다. 그러한 경우를 초기에 검출하는 것은 공정의 압력에서 어떠한 증가가 모니터링되는 지에 의해서 이루어진다. 이러한 시스템은 2 Barr 압력까지 작동하도록 설계되지만, 일반적으로 약 0.4 Barr에서 작동한다. 비일상적인 조그만 압력 증가(0.2 Barr)가 나타나더라도, 몇 분 안에 물로 세척되거나, 혈액의 흐름을 멈추게 하여 신속히 제거된다. 처리 온도는 물의 유동률을 조정하는 것으로 유지된다. 이것은 펌프 속도를 이용하여 이루어진다. 실제로, 대부분 취약한 구성요소는 세 번째 처리 챔버(110)이다. 이러한 단계에서, 액체는 점성이 커서 많이 끈적거리는 반-고체 인클루전(inclusions)의 상태이다. 반-고체 입자들은 처리 챔버 내벽들에 달라붙을 수 있고, 반-고체 형성물들의 퇴적물을 형성하는 중심 물질들이 될 수 있다. 물을 주입하면서 동시에 회전장치의 방향을 바꾸는 것은 고체 퇴적물의 빠른 제거에 도움이 될 수 있다.
도 5의 시스템은 대기압에서 적어도 98℃의 온도출력에서 살균된 물질을 생산할 수 있다. 도 5의 시스템으로 처리된 도살장에서 나온 혈액 물질의 98℃ 또는 더 높은 온도(최대 105℃에서 테스트됨)에서의 생산물에 대한 광범위한 배양(extensive cultivation)을 하여, 어떤 일반적인 종(그램-양성(gram-positive) 또는 음성 홀씨 양성(negative spore-forming))의 독자 생존이 가능한 박테리아가 있음을 증명할 수 없었다.
테스트들은 대장균(Escherichia coli NCTC 10418), 살모넬라( Salmonella enterica sv typhimurium NCTC 74 (ATCC 13311), Salmonella enterica sv seftenberg NCTC 9959), 클로스트리디움 퍼프린젠스(Clostridium perfringens NCTC 3181) 또는 동종( equivalent ) 및 엔테로코쿠스(Enterococcus faecalis NCTC12697)에 대해서 수행되었다. 이러한 박테리아들 중의 일부는 쉽게 80 ~ 85℃ 근처의 열로 가열하는 것으로 제거된다. 그래서, 살모넬라 및 대장균과 같은 그램-음성(gram-negative) 박테리아의 경우에는 마이크로파 방사 및 열적인 영향들을 구별하는 것이 어렵다. 그러나, 클로스트리디움 퍼프린젠스의 경우에는 열적 수단 하나만에 의한 완전한 박멸은 위에 설명된 것들보다 더 큰 온도, 압력, 더 긴 잔류시간이 필요할 것이다. 그러므로, 본 발명에서 설명하는 것은 종래 시스템들보다 병원균을 죽이는데 더욱 효과적이고, 열 하나만 이용하는 것보다 훨씬 더 낮은 온도에서 액체를 살균하고, 저온 살균에도 이용할 수 있다.
혈액 폐기물 또는 다른 고단백질 액체들의 마이크로파 방사 처리는 표면 열전달들을 이용하는 기존의 열 처리 방법들에 비해 중요한 장점들을 가진다. 파이프라인을 통해 흐르는 혈액 액체 폐기물의 자체에 직접적으로 마이크로파 에너지를 전달하는 것은 벽들(walls) 및/또는 열을 내는 요소와 처리되는 액체의 서로 다른 부분들의 사이에서 일어나는 피할 수 없는 상당한 온도의 격차들과 관련된 특별한 문제점들을 피하게 할 수 있다.
이러한 온도의 격차는 국부적인 과열로 인해, 혈액의 응고와 고체막들(solid films) 또는 열을 받은 표면들의 코팅의 증착을 형성하게 한다. 그러한 증착들은 손상을 입힐 수 있고, 열적 요소들의 과열 및 열 효율성을 급격히 감소시키고, 액체에 열을 가하는 열 소스로부터의 열 전달을 실질적으로 감소하게 하여 극히 낮은 열 전도성을 가지게 한다. 아주 극심한 경우, 온도 격차는 국부적인 연소와 맛의 변화들을 일으킨다.
본 발명은 기존의 시스템들보다 더욱 에너지 효율적이다. 전기적인 부품들로부터 모든 열을 회수가 가능한 경우라면, 이렇게 회수한 열은 혈액과 같이 높은 흡수력이 있는 액체에 전달되어 소비되는 전기적인 에너지의 85 ~ 90%를 유입되는 액체를 예열하기 위해 사용될 수 있다. 열, 강한 전자기장, 개별적 처리 챔버들 내에서 발생하는 마이크로파 방사의 조합은 오로지 열로만 하는 것보다 유체 성분들의 분자 구조들에 더 큰 영향을 갖는다. 이것은 여러 가지 방법들로 구현할 수 있다.
이러한 영향의 가장 주목할만한 증거는 완전한 살균을 이루기 위한 온도, 압력, 잔류 시간의 감소, 크게 감소된 온도와 압력에서의 단백질의 파괴, 특정한 화학적 반응시간과 수득률의 증가이다. 살균에 요구되는 온도와 압력을 감소는 잠재적인 손상을 줄여주고, 일부 제품들에게는 질감을 보존할 수 있게 한다. 식품류에 관해서, 이것은 또한, 맛(예를 들면 우유, 막 짜낸 신선한 오렌지 쥬스 등과 같은 음료 식품들)의 보존을 가능하게 한다. 다른 장점들은 장치 전체가 차지하는 공간이 적고, 적은 비용으로 대기 동작이 가능하며, 아주 작은 시동 및 종료 시간을 갖는다.
본 발명에 속하는 기술분야에 속하는 당업자는 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 개시된 실시예들의 변형들이 가능함을 이해할 것이다. 컴퓨터 제어 시스템이 PLC로 설명되고 있다 할지라도, 제어 시스템에 기반한 어떠한 적절한 컴퓨터 또는 프로세서가 사용되어질 수 있다. 따라서, 위의 특정한 실시예의 설명은 오로지 예시를 위한 방법일 뿐이고, 발명을 한정하는 목적이 아니다. 설명된 동작에서 중요한 변화들없이 만들어질 수 있는 사소한 변형들은 본 발명의 기술분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
1 : 유체 처리 장치 2 : 용기
3 : 제1 상류측 엔드 벽 4 : 제2 하류측 엔드 벽
5 : 측벽 6 : 챔버
7 : 마그네트론 8 : 측벽 유입구
9 : 안테나 10 : 마그네트론 앞면
11 : 마그네트론 바디 13 : 안테나 엔드부
14, 20 : 파이프라인 15 : 파이프라인 벽
16 : 파이프라인 내부 17 : 유체
18 : 유체 처리 장치 19 : 모듈들
21 : 파이프라인 세그먼트 22 : 밸브
23, 41 : 온도 센서 24, 42 : 제어부
26, 70 : 회전유동부
27 : 와이어 28 : 와이어와 회전드라이브의 연결
29 : 회전드라이브 30 : 혈액 폐기물 처리 시스템
31 : 저장 용기 32, 54, 60 : 펌프
33, 69 : 예열기 34 : 마이크로파 처리 장치
35 : 교반장치 36 : 유출구
37, 74 : 침전 탱크 38 : 공설 하수도
39 : 살균장치 40 : 원심분리기
43 : 에너지 입력부 50 : 제1 저장 용기
52, 56 : 필터 54, 58 : 내부 오수 탱크
62, 67 : 볼 밸브 64 : 다이어프램 밸브
66 : 물 유입구 68, 106 : 유량계
72 : 반응기 73 : 파이프
78 : 배수구 84 : 폐기물 처리 시스템
86, 92 : on/off 밸브 88 : 원액 저장 탱크
90, 100, 114 : 레벨 센서
94 : 메세레이터 98 : 오수 탱크
102, 118 : 양방향 밸브 104 : 수분 제거기
108 : 열 교환부 110 : 처리 챔버
112 : 완충탱크 116 : 양변위 펌프
120 : 탈수 시스템

Claims (30)

  1. 측벽과 마주보는 제1 및 제2 엔드 벽들을 가지고, 상기 제2 엔드 벽으로부터 미리 정해진 거리 d1에 배치된 상기 제1 엔드 벽으로 이루어져 실린더형의 챔버로 정의되는 용기와,
    액체가 흐르기 위한 파이프라인과,
    상기 파이프라인은 상기 용기의 제2 엔드 벽을 향하여 상기 제1 엔드 벽을 통과하고, 상기 챔버 및 상기 파이프라인은 동축이고, 상기 파이프라인은 마이크로파 방사를 완전 투과하고,
    마이크로파 방사 소스 및 상기 용기의 측벽에 있는 마이크로파 방사 유입구와,
    상기 마이크로파 방사 소스는 상기 용기 측벽으로부터 떨어져 있는 마그네트론 및 상기 마이크로파 방사 유입구를 통하여 상기 마그네트론으로부터 용기 챔버로 연장되는 안테나를 가지고, 상기 챔버내에 λ파장의 마이크로파를 방사하며,
    상기 거리 d1은 상기 챔버가 마이크로파의 공명기가 되기 위해 λ/2의 정배수이며, 상기 마이크로파 방사 유입구는 상기 챔버의 길이(d1)에 대해 중심에서 벗어나며, 상기 안테나의 말단 엔드 부분은 λ/4와 같거나 그보다 작게 또는 3λ/16 과 같거나 그보다 크도록 챔버의 측벽으로부터 돌출된 정해진 거리 d3에 배치되는 것을 포함하는 마이크로파 방사를 이용한 액체 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 d1은 λ/2의 1 에서 3배의 범위 내인 것을 특징으로 하는 마이크로파 방사를 이용한 액체 처리 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 d1은 λ/2의 1 또는 2배인 것을 특징으로 하는 마이크로파 방사를 이용한 액체 처리 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 d1은 λ와 같은 것을 특징으로 하는 마이크로파 방사를 이용한 액체 처리 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 챔버의 내부 직경 d2는 0.6λ 에서 2λ의 범위 내인 것을 특징으로 하는 마이크로파 방사를 이용한 액체 처리 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 d2는 1λ 에서 2λ의 범위 내인 것을 특징으로 하는 마이크로파 방사를 이용한 액체 처리 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 용기 챔버 벽들은 전기적으로 전도성이 있는 물질로 만들어지거나, 또는 코팅이 된 것을 특징으로 하는 마이크로파 방사를 이용한 액체 처리 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 마이크로파 방사 소스를 포함하는 마이크로파 방사를 이용한 액체 처리 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 마이크로파 방사 소스는 2.3 내지 2.7 GHz의 범위 내의 주파수 출력을 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로파 방사를 이용한 액체 처리 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 마이크로파 방사 유입구는 상기 챔버의 세로 방향으로의 연장에 대해서 중심에서 벗어난 위치에 있는 것을 특징으로 하는 마이크로파 방사를 이용한 액체 처리 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 마이크로파 방사 유입구는 중심 세로축을 따라 마이크로파 에너지 레벨이 최고 에너지 레벨의 30 내지 60%인 부분에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 마이크로파 방사를 이용한 액체 처리 장치.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 거리 d1이 λ과 같을 때, 마이크로파 방사 유입구 위치는,
    상류측 엔드 벽으로부터 하류측 엔드 벽까지의 d1의 10 내지 15%, 30 내지 35%, 55 내지 60% 또는 75 내지 80%로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 방사를 이용한 액체 처리 장치
  13. 제 8 항에 있어서, 상기 마이크로파 방사 소스 내로 마이크로파 에너지가 반사되는 것을 방지하기 위한 수단들을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 방사를 이용한 액체 처리 장치.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 파이프라인은 가로 방향인 것을 특징으로 하는 마이크로파 방사를 이용한 액체 처리 장치.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 파이프라인은 세로 방향인 것을 특징으로 하는 마이크로파 방사를 이용한 액체 처리 장치.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 파이프라인은 경사진 것을 특징으로 하는 마이크로파 방사를 이용한 액체 처리 장치.
  17. 제 8 항에 있어서, 상기 마이크로파 방사 소스의 바디는 안테나가 상기 마이크로파 방사 소스의 바디에서 상기 용기 챔버를 향하여 그 안으로 연장되도록, 상기 챔버의 측벽으로부터 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 마이크로파 방사를 이용한 액체 처리 장치.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 안테나의 엔드 부분은 상기 챔버의 측벽으로부터 3λ/16과 같거나 보다 크고, λ/4와 같거나 보다 작게 미리 결정되어, 돌출된 거리 d3에 배치되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 방사를 이용한 액체 처리 장치.
  19. 제 1 항에 있어서, 처리되는 액체의 온도를 감지하기 위해 온도를 감지하고, 모니터링하는 수단들을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 방사를 이용한 액체 처리 장치.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 온도 센서는 상기 감지된 온도에 따라 제공되는 마이크로파 방사의 강도를 변화시키기 위한 마이크로파 방사 소스 제어부에 연결되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 방사를 이용한 액체 처리 장치.
  21. 제 1 항에 있어서, 상기 파이프라인은 마이크로파 방사를 완전히 투과시키는 물질로 만들어진 것을 특징으로 하는 마이크로파 방사를 이용한 액체 처리 장치.
  22. 제 1 항에 있어서, 상기 파이프라인 벽은 3 내지 10 mm 범위 내의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로파 방사를 이용한 액체 처리 장치.
  23. 제 1 항에 있어서, 상기 파이프라인 내에 정적 또는 동적인 혼합기 또는 교반 장치를 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로파 방사를 이용한 액체 처리 장치.
  24. 제 1 항에 있어서, 상기 파이프라인에 들어가기 전에 액체를 가열시키기 위한 예열 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 방사를 이용한 액체 처리 장치.
  25. 제 1 항에 있어서, 상기 파이프라인을 통해 흐르는 액체를 드라이빙하기 위한 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 방사를 이용한 액체 처리 장치.
  26. 제 8 항에 있어서, 액체의 흐름이 연속적으로 연결된 모듈들의 개별적인 상기 마이크로파 방사 소스들로부터 마이크로파를 방사 받을 수 있도록 하기 위해, 직렬 또는 병렬로 연결된 복수개의 모듈들로 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 방사를 이용한 액체 처리 장치.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 파이프라인의 외경 d6는 λ/π 과 같거나, 보다 큰 것을 특징으로 하는 마이크로파 방사를 이용한 액체 처리 장치.
  28. 제 1 항에 있어서, 상기 장치 내에서 압력을 변하게 하기 위한 압력 제어 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 방사를 이용한 액체 처리 장치.
  29. 제 1 항에 있어서, 상기 용기 챔버의 내부와 상기 파이프라인의 외부 사이의 고리 모양의 공간 두께는 λ/2인 것을 특징으로 하는 마이크로파 방사를 이용한 액체 처리 장치.
  30. 청구항 제 1 항에서 청구된 액체 처리 장치를 제공하고,
    상기 장치의 마이크로파 방사 소스로부터 마이크로파를 방사시키는 동안 상기 장치의 파이프라인을 통하여 상기 액체를 흐르게 하는 것을 포함하는 마이크로파 방사를 이용하여 액체를 처리하는 방법.
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