KR102517551B1 - 저온 플라즈마를 사용한 분말 살균시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 목적은 식용 분말을 안전하고 효과적으로 살균하면서 식품 고유의 영양소와 품질을 유지할 수 있는 새로운 식품 살균 방법 및 장치를 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적에 따라 분말을 50℃ 이하의 저온 공정에서 99.9% 살균율로 살균할 수 있는 유전체 장벽 방전(dielectric barrier discharge: DBD) 저온 플라즈마 분말 식품 살균 시스템을 제공한다.
상기 목적에 따라 분말을 50℃ 이하의 저온 공정에서 99.9% 살균율로 살균할 수 있는 유전체 장벽 방전(dielectric barrier discharge: DBD) 저온 플라즈마 분말 식품 살균 시스템을 제공한다.
Description
본 발명은 식품살균기술에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는, 저온 플라즈마를 이용한 분말식품 살균시스템에 관한 것이다.
식품을 제조하는 공정에서 장치, 공기, 기구 및 작업자 등에 의해서 세균의 유입으로 변패가 발생할 수 있다. 변패를 방지하는 살균기술은 분말 식품의 부가자치를 높일 수 있는 중요한 핵심 식품제조공정이다. 특히 어린이 이유식, 고령친화 영양식, 다양한 건강식품 등의 분말 식품류는 인류 사회의 문명이 발달하고 건강에 대한 관심이 높아 짐에 따라서 세계 각국에서 생산량이 증가되고 있다. 또한 고춧가루, 후추가루, 카레분말 등과 같은 향신료와 커피, 녹차, 홍차 등의 분말 식품이 각종 병원균으로 오염될 경우 심각한 문제가 발생하다. 이러한 분말 식품류는 대부분 대량 저온살균 공정이 필요하며 국내외 시장은 수십조원에 달한다.
100℃ 이상의 높은 온도에서 식품 혹은 분말 식품에 포함된 세균을 살균하는 방식은 가장 널리 사용되는 방법으로 미생물 및 미생물이 가진 효소를 불활성화 시켜 식품의 변패를 방지하므로 저장 기간을 높일 수 있다. 그러나 가열 살균 공정에서 열에 약한 재료를 사용할 수 없는 문제가 있다. 또한 고온에서 이루어지기 때문에 맛, 향기, 색상, 조직감, 모양, 성분의 변화를 초래하여 고유한 식품품질을 보존하기가 어려운 문제를 가지고 있으며, 50℃ 이하의 낮은 온도의 공정에서 이루어지는 식품에 대한 살균은 기대하는 살균율을 달성할 수 없는 단점을 가지고 있어 공정에 적용하기 어렵다.
즉, 종래의 살균 방법은 분말식품을 가열하는 방식으로 살균해서 가공 저장한다. 이 방법은 고온처리로 미생물 및 미생물이 가진 효소를 불활성 시켜 식품의 변패를 방지하며 저장 기간을 높일 수 있다. 그러나 가열 살균 공정은 주로 100℃ 이상에서 진행되기 때문에 열에 약한 재료를 사용할 수 없는 문제점이 있다. 또한 고온에서 이루어 지기 때문에 맛, 향기, 색상, 조직감, 모양, 성분변화 등 식품 고유의 품질을 보존하기가 어려운 문제를 가지고 있다. 한편 50℃ 이하의 저온에서 이루어지는 냉살균 방법은 분말식품 등에 대한 살균이 목적으로 하는 살균율을 달성할 수 없는 단점을 가지고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 비가열 살균법에 대한 연구가 많이 이루어 지고 있으며 여러가지 방법 중에서 방사선, 자외선, 및 저온 플라즈마 살균 방법(등록특허 10-1571238호 등 참조) 등이 적용할 수 있는 유력한 기술로서 주목을 받고 있으며 식품 제조공정에서 여러가지로 응용되고 있다. 감마선, X선 및 전자선을 사용한 방사선의 방식은 높은 에너지의 파가 방사되어서 식품에 포함되어 있는 미생물의 유기물의 성분을 이온화 및 파괴를 일으켜 미생물을 사멸 시키는 방식을 적용하고 있다. 방사선 방식은 전문 인력과 안전 시설 등의 설치비가 많이 들며 식품이 유전자 변형이 발생할 수 있는 문제가 있다.
또한, 자외선 조사법은 약 180nm ~ 310nm 영역의 짧은 파장의 전자기파 방사에 의해서 분말 식품을 살균하는 방식으로, 분말 식품의 표면에서 자외선의 에너지가 대부분 흡수되어서 1mm 이상 침투하기 어려워 분말의 표면에 존재하는 미생물만 살균하는 단점이 있다.
본 발명의 목적은 식용 분말을 안전하고 효과적으로 살균하면서 식품 고유의 영양소와 품질을 유지할 수 있는 새로운 식품 살균 방법 및 장치를 제공하고자 하는 것이다.
저온 플라즈마 방법은 금속 및 비금속의 재료의 표면처리에 많이 사용되고 있으며 바이오 산업, 디스플레이, 반도체 , 전자 제품 등의 제조공정에 넓게 응용되고 있다. 대기압에서 발생하는 저온 플라즈마는 유전체를 사용해서 전류를 제어하며 발생장치의 가격이 저렴하고 플라즈마의 전자 평균 에너지는 0.7 eV ~ 2.5 eV, 플라즈마 밀도는 약 1012 ~ 1014 / cm3 으로 에너지가 낮아서 주로 화학적인 반응이 일어난다. 공기 중의 산소와 질소가 대기중의 방전으로 인하여 발생하는 플라즈마의 화학 작용으로 다양한 종류의 활성종 (OH, H2O2, O라디칼, N라디칼, NO, NO2, O3 등)과 자외선, 가시광선, 전자기파, 전기장 등이 발생한다. 다양한 물리적 및 화학적인 특성을 갖는 플라즈마는 기체상태로서 50℃ 이하에서 식품 분말에 포함되어 있는 미생물(대장균, 포도상구균, 살모렐라균, 곰팡이, 효모 등) 등을 99.9% 이상 살균 가능하므로 식품 및 식품 분말을 효과적으로 살균할 수 있는 안전한 방법이다.
그에 따라 본 발명은, 저온 대기압 플라즈마 살균방식을 제공하여 건강 식품, 어린이 이유식, 고령친화 영양식 등을 위생적으로 생산이 가능하도록 한다. 분말 식품을 50℃ 이하의 저온 공정에서 살균할 수 있는 유전체 장벽 방전(dielectric barrier discharge: DBD) 저온 플라즈마 분말 식품 살균 시스템을 제공한다.
본 발명은 유전장벽방전 플라즈마 소스의 구조에서 인가전력이 분말에 대해 최대치의 소비전력을 낼 수 있도록 전극의 유전체와 분말의 위치 및 두게를 제어하며, 99.9% 살균력을 위해 분말을 유전장벽방전 소스에 대해 이송되는 속도를 제어한 저온 살균 시스템을 제공한다.
즉, 본 발명은,
제1 금속전극;
상기 제1 금속전극을 덮는 두께 d1 및 유전율 ε1의 유전체;
상기 유전체 하면과 이격되어 상기 제1 금속전극과 마주보게 배치되어 접지되는 제2 금속전극;
상기 제2 금속전극 위에 두께 d2로 놓이는 유전율 ε2의 유전체 분말; 및
상기 제1 금속전극과 제2 금속전극 사이에 전압을 인가하는 전원;을 포함하고,
상기 상기 유전체 하면과 유전체 분말의 상면과의 간격 d0를 유지하고,
유전체 분말의 살균력을 높이기 위해, 상기 유전체 두께 d1은 상기 d0 또는 d2에 비해 얇게 하고, 유전율 ε1은 ε2 보다 큰 것으로 구성하고,
상기 전원으로 제1 금속전극과 제2 금속전극 사이에 유전장벽방전 플라즈마를 일으켜 저온 플라즈마 살균으로 분말을 살균하는 것을 특징으로 하는 분말 살균시스템을 제공한다.
상기에 있어서, 유전체 d1에서 소모되는 전력을 2% 이하로 낮추도록 ε1을 5 이상으로 하고, d1을 50 내지 150μm로 한 것을 특징으로 하는 분말 살균시스템을 제공한다.
상기에 있어서, 분말을 제1 금속전극에 대해 상대적으로 이송하면서 살균하며, 살균율 99.9% 달성을 위해 필요한 플라즈마 조사 시간을 유지할 수 있도록 이송속도가 조절되는 것을 특징으로 하는 분말 살균시스템을 제공한다.
상기에 있어서, 제2 금속전극은 순환식 벨트 형태로 구성되어, 벨트 위에 놓인 분말을 소정 속도로 이송하는 것을 특징으로 하는 분말 살균시스템을 제공한다.
상기에 있어서, 상기 순환식 벨트 위에 놓인 분말이 하강부로 유입된 후 벨트가 순환을 위해 하면을 따라 이동하는 동안 벨트면을 살균처리하기 위해, 순환식 벨트 하면 아래에 금속전극을 유전체로 덮은 유전장벽방전 플라즈마 소스가 설치된 것을 특징으로 하는 분말 살균시스템을 제공한다.
상기에 있어서, 분말을 제1 금속전극에 대해 상대적으로 이송하면서 살균하며, 살균율 99.9% 달성을 위해 필요한 플라즈마 조사 시간을 유지할 수 있도록 이송속도가 조절되는 것을 특징으로 하는 분말 살균시스템을 제공한다.
상기에 있어서, 벨트의 일측 단부에 분말을 보관함으로 유도하는 하강부;가 설치되어 벨트를 타고 플라즈마 살균 처리된 분말이 상기 하강부로 유입되며,
상기 하강부는,
접지되는 금속을 포함한 외벽;
상기 외벽 안쪽에 금속을 덮는 유전체;
상기 유전체에 경사를 이루며 고정된 하나 이상의 면 전극;을 포함하고,
상기 면 전극과 외벽 사이에서 플라즈마 방전을 일으켜 분말에 대해 추가적인 살균 처리하는 것을 특징으로 하는 분말 살균시스템을 제공한다.
상기의 분말 살균 시스템은 챔버 안에 배치되고,
상기 챔버는 방전 가스 또는 냉각수 흐름을 위한 유체 주입구와 유체 배출구를 포함하고, 유체 주입구에는 이물 제거 필터를, 유체 배출구에는 유해가스 흡착 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 분말 살균시스템을 제공한다.
챔버;
상기 챔버 안에 배치된 회전축과 상기 회전축에 달린 스크류를 포함하는 분말 이송용 스크류 기구;
상기 스크류 기구의 상부와 하부에 설치된 활성가스 통과막;
상기 스크류 기구의 상하부이자 상기 활성가스 통과막의 상부와 하부에 각각 배치되는 유전장벽방전용 플라즈마 소스; 및
상기 챔버의 상면과 하면에 포함된 다공질부;를 포함하여,
유전장벽방전 플라즈마에 의해 스크류 기구에 의해 이송되는 분말을 살균처리하고, 활성가스 통과막을 통해 활성가스가 분말에 침투 확산되며,
챔버 외부에서 기체를 공급하여 상기 다공질부로 유입되는 기류가 분말과 활성종이 챔버 외벽으로 유출되지 않게 한 것을 특징으로 하는 분말 살균시스템을 제공한다.
상기에 있어서, 다공질부 근처에 RF 코일을 다수 배열하고, RF 전원으로 RF 코일에 전력을 인가하여, 챔버 내부에서 플라즈마의 전자가 자기장을 따라서 사이클론 운동으로 플라즈마의 밀도를 높여주는 것을 특징으로 하는 분말 살균시스템을제공한다.
상기에 있어서, 스크류 기구 일측 단부에 분말을 보관함으로 유도하는 하강부;가 설치되어 스크류 기구를 타고 플라즈마 살균 처리된 분말이 상기 하강부로 유입되며,
상기 하강부는,
접지되는 금속을 포함한 외벽;
상기 외벽 안쪽에 금속을 덮는 유전체;
상기 유전체에 경사를 이루며 고정된 하나 이상의 면 전극;을 포함하고,
상기 면 전극과 외벽 사이에서 플라즈마 방전을 일으켜 분말에 대해 추가적인 살균 처리하는 것을 특징으로 하는 분말 살균시스템을 제공한다.
기둥형 챔버;
상기 기둥형 챔버 상단에 놓인 분말투입호퍼;
상기 기둥형 챔버 내부 상부에서 하부쪽을 향해 지그재그식으로 배열되되, 서로 틈새를 유지하는 다수의 분말흐름유도판;
상기 기둥형 챔버 내부에 배열되어 흐르는 분말에 저온 플라즈마 처리하는 DBD 플라즈마 소스;
상기 기둥형 챔버 하부에 배치된 가스배기 필터; 및
상기 기둥형 챔버 하단부에 배치되어 살균된 분말을 수집하여 토출하는 분말수집받침대;를 포함하여, 분말을 저온 플라즈마 살균처리하는 것을 특징으로 하는 분말 살균시스템을제공한다.
상기에 있어서, 분말에 대한 저온 플라즈마 살균처리 시간은 15초 이상 실시하는 것을 특징으로 하는 분말 살균시스템을 제공한다.
본 발명의 저온 대기압 플라즈마 살균방식은 건강 식품, 어린이 이유식, 고령친화 영양식 등을 위생적으로 생산이 가능하도록 한다. 분말 식품을 50℃ 이하의 저온 공정에서 살균할 수 있는 유전체 장벽 방전(dielectric barrier discharge: DBD) 저온 플라즈마를 적용하여 99.9% 살균을 달성하면서도 저온 살균이라 분말 고유의 특성을 유지시킬 수 있다.
대면적의 안정한 방전이 가능한 대기압 DBD 플라즈마에서 발생하는 OH 라디칼, O 라디칼, N 라디칼, H2O2, O3 등의 활성종과 전자, 자외선, 가시광선 및 전자기파 등을 발생시킨다. 이러한 플라즈마 활성종 및 물리적 인자들을 식품 분말내에 확산 침투하여 효과적으로 유해한 미생물을 대량으로 살균할 수 있는 양산용 저온 플라즈마 식품 살균시스템을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 플라즈마 분말 살균장치에 적용될 유전장벽 플라즈마 소스의 구성을 설명하기 위한 단면구성도이다.
도 2는 저온 플라즈마 살균 시간 대비 분말에 포함된 세균 살균율을 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 저온 플라즈마 분말 살균장치의 일 실시예로서 벨트식 살균장치의 구성도이다.
도 4는 벨트식 살균장치의 또 다른 실시예를 보여주는 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 저온 플라즈마 분말 살균장치에 스크류를 적용한 것을 보여주는 구성도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 분말살균장치의 실시예를 보여주는 구성도이다.
도 7은 본 발명의 분말살균장치의 살균시험 결과를 보여주는 표와 그래프이다.
도 2는 저온 플라즈마 살균 시간 대비 분말에 포함된 세균 살균율을 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 저온 플라즈마 분말 살균장치의 일 실시예로서 벨트식 살균장치의 구성도이다.
도 4는 벨트식 살균장치의 또 다른 실시예를 보여주는 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 저온 플라즈마 분말 살균장치에 스크류를 적용한 것을 보여주는 구성도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 분말살균장치의 실시예를 보여주는 구성도이다.
도 7은 본 발명의 분말살균장치의 살균시험 결과를 보여주는 표와 그래프이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 DBD 플라즈마 전극부를 나타내며 SiOx 유전체를 갖는 전극부, 분말 유전체를 갖는 전극부, 그 사이의 공기 갭으로 구성된다.
즉, DBD 플라즈마가 분말 식품 사이에서 발생하는 플라즈마 발생구조는 제1 및 제2 금속 전극(10) 한쌍을 서로 이격시켜 마주보게 배치하고, 아래 쪽 제2 (접지) 전극 위에 유전체인 분말을 놓고 전극 양단에 전압을 인가하여 유전장벽방전 플라즈마를 발생시켜 분말에 플라즈마를 처리하는 것이다. 분말의 상부에 배치된 전극(10)에는 전극을 덮는 유전체를 배치한다. 유전체는 SiOx 이외에 다양한 세라믹재, 폴리머재로 할 수 있다.
상기 전극 및 분말 배열 구조에 대한 물리적 해석을 통해서 DBD 플라즈마 발생기 전극 사이 갭에서 전압이 계산이 되며, 높은 고주파 전압을 인가하면 회로의 저항 임피던스가 동일하므로 높은 전력으로 높은 살균율을 얻을 수 있다. DBD 전극에 인가되는 전압과 전류로부터 전력이 환산된다.
도 1의 플라즈마 살균 시스템 구조에서 SiOx 유전체, 분말유전체 및 갭 공기에 인가되는 다음의 식에서 공기 갭에 인가되는 전압이 계산된다.
V = V1 + V0 + V2,(V1: 제1전극 유전체에 걸리는 전압, V0: 공기 중에 걸리는 전압, V2: 분말에 걸리는 전압)
상기에서, V1 : V0 : V2 = Q/C1 : Q/C2 : Q/C3 으로 표시된다.
C1, C0, C2 는 정전용량, Q는 전하량을 나타내며 다음과 같이 표시된다.
전압이 인가되는 면적 S, 두께 d1, d0, d2 는 각각 70μm, 3mm, 3mm로 실험되었으며, 유전율 ε1, ε0, ε2 는 각각 5, 1, 2.2로 한 경우, 인가 전압비는 다음과 같다.
C1 = ε1 S / d1, C0 = ε0 S / d0, C2 = ε2 S / d2,
따라서 V1 : V0 : V2 = d1/ ε1 : do/ε0 : d2/ ε2 = 1% : 68% : 31% 이다.
즉, 15kV(Vp) 전압이 인가될 경우에 공기 중에 인가되는 전압은 10.2kV, 전극 쪽 SiOx 유전체(20)에 인가되는 전압은 0.2kV, 분말(60) 유전체에 인가되는 전압은 약 4.6kV 이다. 분말의 유전율과 두께는 일정하므로 전극 유전체(20) 부분의 인가전력을 2% 이하로 낮추기 위해 ε1 은 높고, d1은 작게 구성한다.
본 실시예에서, 유전상수 ε1은 5 이상, 그 두께 d1은 50~150μm, 바람직하게는, 70μm ~ 100μm로 한다.
이와 같이, 분말 상부에 배치된 전극을 덮는 유전체(20) 두께와 유전상수 조절로 공기중의 방전전압을 높이므로 방전전력이 증가하여 다량의 활성종을 발생시켜 미생물에 대한 살균율을 높일 수 있다.
한편, 도 2는 플라즈마 조사시간에 대한 분말에 포함된 세균 살균율을 보여준다. 이것을 이용하여 도 3, 도 4, 도 5의 분말살균장치에서 분말의 이송속도를 결정한다.
No, Nt 는 각각 초기, 플라즈마 조사 시간 t 후의 CFU (Colony Forming Unit)수 이다. 세균이 포함된 분말식품 A, B, C에 있어서 플라즈마 조사시간에 대해서 분말식품 C가 미생물의 살균율이 가장 높은 것을 보여준다. 분말 식품의 제조공정에서 세균 살균율 (Nt /No) 은 0.001 이하로 99.9% 이상의 세균 살균율이 일반적으로 요구가 된다. 그것은 도 2에서 빨강 점선 Log (Nt/No)=-3 으로 표시된다.
즉, Nt/No = 10-3 나타내므로 빨강 점선 이하가 되도록 플라즈마 분말 식품이 살균이 되어야 한다. 따라서 A, B, C 분말 식품에 대한 플라즈마 조사시간은 6분 이상, 3분 이상, 1.5분 이상이 되어야 한다. 이것을 기준으로 도 3, 도 4, 도 5에서 분말식품의 살균을 위한 벨트와 스크류의 진행속도를 결정한다.
도 3의 실시예에 대해 설명한다.
실시예1(도 3)는 건강식품, 어린이 이유식 및 고령친화 영양식 등의 분말 식품을 대량으로 살균 처리하기 위한 저온 플라즈마 분말살균시스템(100)이다.
분말투입호퍼(40) 설치된 분말 살균 챔버(50)에서 벨트(70) 위의 분말(60) 식품의 높이를 1 내지 5mm, 바람직하게는, 3mm 이내로 균일하게 하고, 분말 살균 챔버의 벨트(70)를 이용하여 균일한 속도로 이송을 한다. 이송된 분말은 벨트(70) 위를 지나면서 일정한 간격으로 설치된 사다리꼴 혹은 사각형 모양의 유전체 장벽 방전 (dielectric barrier discharge: DBD) 소스(전극10, 유전체20, 절연체30)에 의해서 접지된 벨트(70)와 방전을 하게 되며, 이때 발생하는 활성종 등은 분말 내부로 침투하여 미생물을 살균하게 된다. 상기에서 전극(10)은 소정 간격을 두고 사다리꼴 혹은 사각형으로 돌출된 형상일 수 있다.
본 실시예에서 DBD 소스의 금속전극(10)은 0.1mm ~ 1.5mm의 프린팅 방식의 Ag 전극이며, DBD의 유전체(20) 두께는 70μm ~ 100μm, 유전상수는 5이상인 SiOx 으로 하여 유전체(20)에서 소비되는 전력이 전체의 2% 이내로 하였다. 전극(10) 후면은 절연체(30)로 덮는다.
상기에서, 전극(10)과 분말 사이 거리 d0는 d1보다 커야하고, 본 실시예에서는 d0를 3mm 이상 설정하여 높은 전압이 공기 갭 사이로 인가되어 높은 플라즈마 밀도로 부터 충분한 활성종(OH, NO, O, N, H2O2, O3 등)과 전자, 자외선 가시광선이 발생하여 식품 분말 내부로 확산하여 미생물을 살균하도록 한다.
벨트(70)는 Cu, Al, Ti 등의 금속 재료로 제작되며 접지에 연결된다. 벨트는 순환식으로 구성되며, 양단이 롤러에 의해 구동되어 벨트 윗면에는 분말이 놓이고, 벨트 일측 단부에서 공급된 분말이 타측 단부에 이르면, 보관함을 향하는 하강부에 유입되어 빈 벨트 부분은 롤러 하면을 따라 이송되어 다시 단부에 이르러 상승구간이 되면 분말을 탑재한다.
식용 분말(60)의 두께는 약 3mm 이내로서 약 1.5 ~ 3.5 의 유전율을 갖는다. 벨트(70) 위의 분말(60)은 살균 처리 되면서 이송 되며, 반대편의 벨트(분말을 보관함에 쏟은 후 벨트 부분)의 표면에 부착된 미생물은, 벨트 아래에 구성된 DBD 소스(15)의 플라즈마에 의해서 살균 된다. 하부의 벨트와 DBD 소스(15) 전극 사이의 거리는 2mm 이내로 하여 충분히 높은 농도의 플라즈마의 활성종 등으로 표면의 미생물이 살균되도록 한다. 한편, 벨트 위에서 살균된 분말이 분말 배출구에서 보관함으로 하강하는 하강부(A)에서도 플라즈마 살균이 이루어지도록 한다.
즉, A부분 확대도에서와 같이 다시 한 번 저온 플라즈마로 살균한다.
배출구 부분의 외벽은 금속 접지(110)부로 이루어지고, 그 안쪽은 유전체(20)로 커버되며, 면 전극(120)(또는 개구형 관상 전극, 곡면형 전극일 수 있다)을 전극 고정부(130)(고정 부재 또는 용접 등 적용)를 이용하여 유전체(20)에 고정시키며, 면 전극은 다수가 지그재그식으로 서로 틈새를 두고 이어지게 배열된다. 분말은 면 전극에서 발생된 플라즈마에 의해 살균처리되면서 면 전극 간의 틈새를 통해 이어지는 면 전극들을 따라 흐르면서 보관함에 도달한다. 이에 대해 더 상세히 후술한다.
벨트(70)의 폭은 10cm ~ 100cm 으로 하며 벨트의 이동속도는 Log (Nt/No)=-3 이상의 살균력을 갖도록 조정한다. 상술한 바와 같이, 개별적인 분말(종류)에 대해 살균력 및 이송속도를 조절할 수 있다.
금속 벨트의 상하에서 방전이 일어나 미생물을 살균하므로 얇은 두께로 펼쳐진 분말의 살균은 매우 효과적이다.
또한, 분말 식품챔버의 가스/물을 주입하는 유체주입구에 먼지 제거 필터(80)를 설치하여 공기 속의 먼지 등의 이물을 제거하고 클린 공기를 주입하며, Ar 혹은 He의 불활성 가스 또는 O2, N2의 반응성 가스 등을 주입해 분말 살균 챔버 내부에 NOx 가스가 다량으로 발생하도록 하여 살균율을 높일 수 있다. 분말 살균 챔버(50) 내부에서 방전에 의해서 발생하는 오존 등과 같은 유해가스는 유체배출구에 설치된 유해가스 흡착필터(90)에 흡착 제거 되도록 한다.
벨트(70)에 놓여진 분말이 수평으로 이동하면서 DBD 플라즈마로 살균이 완료되어서 수직으로 낙하는 할 때 분말의 살균율을 높이기 위해서 분말 하강부는 확대된 A부분과 같은 형상의 구조를 가질 수 있다. 분말 낙하통 외벽은 Cu, Al, Ti 등과 같은 도전체를 사용하며 그 내벽은 약 0.07mm ~ 0.1mm 유전체(예를 들면, SiOx)가 코팅된다. 수직 낙하통의 내벽에 대해 금속 판을 각도 θ로 경사지게 설치하여 하강부 외벽 금속 접지(110)와 금속판 전극(120) 사이에 인가되는 전압에 의해서 DBD방전을 일으켜 낙하하는 분말을 추가적으로 살균을 한다. 도 3의 금속판이 외벽 금속 접지와 이루는 각도는 약 20deg ~ 80deg 으로 경사지게 하여 분말의 낙하시간을 조절할 수 있게 한다.
또한, 도 4와 같이, DBD 방전 시스템을 벨트를 따라 수평으로 연속 설치하여 분말이 벨트를 따라 이동할 때에 플라즈마 조사 시간을 길게 할 수 있다. 즉, 전극(10), 유전체(20), 절연체(30)를 수평으로 연속 펼쳐지게 구성하여 분말에 대해 지속적인 플라즈마 처리가 일어나게 한 것이다.
DBD 방전 시스템에서 발생하는 열을 흡수하기 위해서 냉각수 혹은 팬으로 냉각하는 냉각판을 DBD 금속전극 위에 설치하여 DBD전극의 온도를 낮출 수 있다. 벨트의 이동속도는 Nt/No=0.001 이하로 하여 99.9% 이상의 살균력을 갖도록 조정한다. 한편 벨트 위에서 살균된 분말이 분말 배출구로 하강할 때 확대한 A부분과 같이 다시 한 번 저온 플라즈마로 살균한다. A부분의 구성은 도 3에서와 같다.
도 5는 스크류 기구를 사용해서 분말을 이동시키면서 미생물을 살균하는 변형 실시예이다. 분말을 챔버(50) 주입구로 주입 하여 스크류 표면에 놓이게 한다. 스크류 기구는 회전 축(155) 상에 스크류(150)가 형성되어 있다. 스크류 에지 받이를 제공하여 분말이 스크류 표면에 충분히 놓일 수 있도록 하며, 스크류의 회전운동에 따라서 분말이 이동되도록 한다. 스크류 상단에 직선형 유전체 장벽 방전(dielectric barrier discharge: DBD) 플라즈마 소스(전극10, 유전체20)를 설치하여 플라즈마를 발생시키며 DBD 소스 유전체의 상, 하단 금속전극(10)에 전압을 인가해서 플라즈마를 발생한다. 상기 DBD 소스는 길이가 긴 유전체(20)에 단편의 금속전극이 상하 또는 방사상으로 다수 배열된 것을 포함한다. 그러나 플라즈마 소스는 이에 한정되지 않고, 전극과 유전체를 다양한 형상으로 하여 구성될 수 있다.
DBD 플라즈마 방전 시스템의 유전체(20) 유전상수는 5 ~ 10 이며 두께는 50μm ~ 200μm 이며 인가주파수는 1kHz ~ 100kHz, 전압은 1kV ~ 100kV 이다. DBD 플라즈마의 둘레에는 활성가스 통과막(140)을 설치해서 활성가스가 스크류에 놓인 분말 내부로 확산되도록 하며, 분말이 DBD 플라즈마 시스템으로 유입되는 것을 방지한다.
분말 식품 살균기 챔버(50)의 둘레는 다공질 벽(porous wall)(170)으로 하여 외부에서 가스(Ar, N2, O2) 혹은 공기를 주입하여 에어 커튼을 만들어 분말 및 활성종 가스가 외부 벽으로 방출되지 않도록 한다.
또한, 다공질 벽(porous wall)(170) 주변은 RF (고주파) 코일(160)을 설치하여 챔버 내부에서 플라즈마의 전자가 자기장을 따라서 사이클론 운동으로 플라즈마의 밀도를 높이도록 한다.
RF 전원의 주파수는 0.1 ~ 50MHz, 전력은 0.1 ~ 1000kW 이다. RF 코일(160)에 인가되는 전력으로 인해 코일 온도가 상승하므로 냉각수를 흘러 주어서 RF 코일의 온도를 낮춘다. RF 코일에 의해 발생되는 고밀도의 플라즈마의 활성종 (NOx, OH라디칼, O라디칼, H2O2, O3 등)은 분말 내부로 확산되어서 들어가서 미생물을 살균한다. 공기를 사용해서 방전을 발생시킬 수 있으며 N2, O2 를 포함한 반응성 가스 및/또는 Ar, He 등의 불활성 가스를 사용하여 다량의 NOx 활성종 등을 발생할 수 있다.
살균이 완료된 분말 식품은 배출구로 배출이 된다. 스크류 이동속도는 세균 살균율이 99.9% 이상 되도록 조절한다.
한편, 살균된 분말이 분말 배출구로 하강할 때 확대한 A부분(도 3의 A부분 확대도와 같다)과 같이 다시 한 번 저온 플라즈마로 살균한다.
상기에서, DBD 플라즈마 시스템(10, 20)과 RF 코일(160)에 의한 플라즈마를 동시에 사용하면 내부 전기장의 간섭가능성이 있으므로 각각 사용 한다. 예를 들면, 시간분할로 교대 구동할 수 있다.
또한, RF 코일(160) 및 RF 전원에 의한 플라즈마 고밀도화는 도 3 및 4에 의한 벨트 이송 실시예에도 함께 적용될 수 있다.
이와 같이하여, 분말에 대해 99.9% 이상의 높은 살균율로 살균처리하면서도, 저온을 유지하여 분말의 풍미와 같은 고유 특성을 유지할 수 있다.
한편, 식용 분말은 피부나 모발 케어용으로도 사용될 수 있으며, 이 경우에도 상기 실시예에서 설명한 식용분말 저온 플라즈마 살균시스템 그대로 적용된 것일 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예를 보여준다.
상단에 분말투입호퍼(40)가 설치된 기둥형 챔버(200) 내부에 분말흐름유도판(210)이 지그재그식으로 챔버(200) 길이를 따라 배열된다. 분말흐름유도판(210)은 챔버(200) 내벽으로부터 내부 공간을 향해 경사지게 연장되되 맞은편 내벽과는 간격을 두면서 설치된다. 제1 분말흐름유도판을 따라 흘러온 분말이 제2 분말흐름유도판을 타고 내려갈 수 있도록 제1 분말유도판으로부터 낙하하는 분말의 낙하지점이 제2 분말흐름유도판의 상단이 되도록 배치하며, 챔버 길이에 적합한 개수의 분말흐름유도판을 배열한다.
분말은 분말흐름유도판(210)을 따라 지그재그식으로 챔버 하단을 향해 흘러가고, 기둥형 챔버 길이 중간 정도 되는 곳에 DBD 소스(15)가 설치되어 이곳을 거치는 동안 분말이 플라즈마에 의해 살균된다. 저온 플라즈마 살균처리된 분말은 챔버(200) 하단에 설치된 가스배기 필터(220)를 통과하여 그 하부에 놓인 분말수집받침대(41)을 통해 수집되어 토출된다. 가스배기 필터(220)는 오존(O3) 등의 가스를 제거하기 위한 필터이다.
본 실시예는 상기 저온 플라즈마 살균시스템으로, 미숫가루(보리: 26%, 현미 : 24%, 멥쌀 : 24%, 검은쌀 : 12.5%, 검은콩 : 3%, 기타: 10.5%)를 살균시험하였다. 기둥형 챔버(200)는 실험용으로 제작된 종이 원통(다공질 벽 만족)으로 하였고, 길이 : 1,150mm, 직경 : 100mm으로 하였다.
실험 결과는 도 7에 수록하였으며, 대기압 플라즈마에서 99.9% 이상 공기 중의 세균이 살균되는 시간을 그래프로 보였다.
상기 실시예에서, 기둥형 챔버(200) 상부에 가루 분말을 주입하면 하단부의 분말수집받침대(41)의 출구로 나오는 시간은 약 1초 정도이다. 챔버(200) 내부에서 DBD 저온 플라즈마 소스에 의한 오존의 농도는 대략 0.33ppm (H2O2, NO2 등 포함)였고, 그래프에서 보인 바와 같이, 16회 반복 처리, 즉, 0.33ppm 에서 16초간 처리되면 약 99.9% 이상의 세균이 살균되었다. 효율적인 처리를 위해 챔버 길이를 길게 설계할 수 있다.
따라서 분말은 15 내지 30초 정도 저온 플라즈마 처리함으로써 거의 완벽하게 살균처리된다.
한편, 상기 실시 예와 실험 예들에서 제시한 구체적인 수치들은 예시적인 것으로 필요에 따라 변형 가능함은 물론이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
전극(10)
DBD 소스(15)
유전체(20)
절연체(30)
분말투입호퍼(40)
분말살균시스템(100)
챔버(50)
분말(60)
벨트(70)
필터(80)
흡착필터(90)
접지(110)
면 전극(120)
전극 고정부(130)
활성가스 통과막(140)
스크류(150)
회전 축(155)
RF 코일(160)
다공질 벽(porous wall)(170)
기둥형 챔버(200)
분말흐름유도판(210)
분말수집받침대(41)
가스배기 필터(220)
DBD 소스(15)
유전체(20)
절연체(30)
분말투입호퍼(40)
분말살균시스템(100)
챔버(50)
분말(60)
벨트(70)
필터(80)
흡착필터(90)
접지(110)
면 전극(120)
전극 고정부(130)
활성가스 통과막(140)
스크류(150)
회전 축(155)
RF 코일(160)
다공질 벽(porous wall)(170)
기둥형 챔버(200)
분말흐름유도판(210)
분말수집받침대(41)
가스배기 필터(220)
Claims (4)
- 제1 금속전극;
상기 제1 금속전극을 덮는 두께 d1 및 유전율 ε1의 유전체;
상기 유전체 하면과 이격되어 상기 제1 금속전극과 마주보게 배치되어 접지되는 제2 금속전극;
상기 제2 금속전극 위에 두께 d2로 놓이는 유전율 ε2의 유전체 분말; 및
상기 제1 금속전극과 제2 금속전극 사이에 전압을 인가하는 전원;을 포함하고,
상기 제2 금속전극은 순환식 벨트 형태로 구성되어, 벨트 위에 놓인 분말을 소정 속도로 이송하고,
상기 전원으로 제1 금속전극과 제2 금속전극 사이에 유전장벽방전 플라즈마를 일으켜 저온 플라즈마 살균으로 분말을 살균하며,
상기 유전체 하면과 유전체 분말의 상면과의 간격 d0를 유지하고,
유전체 분말의 살균력을 높이기 위해,
V1 : V0 : V2 = d1/ ε1 : d0/ε0 : d2/ ε2 (V1: 제1전극 유전체에 걸리는 전압, V0: 공기 중에 걸리는 전압, V2: 분말에 걸리는 전압, ε0: 공기 유전율=1)에 의해, 유전율 ε1은 ε2 보다 큰 것으로 구성하여, 유전체 d1에 인가되는 전압 V1은 낮추고, 공기중의 방전전압 V0를 높이고,
상기 순환식 벨트 아래에 유전체장벽방전 DBD 소스를 더 포함하여, 플라즈마에 의해 순환식 벨트면을 살균하는 것을 특징으로 하는 분말 살균시스템. - 제1항에 있어서, 상기 유전체 두께 d1은 상기 d0 또는 d2에 비해 얇게 하는 것을 특징으로 하는 분말 살균시스템.
- 제1항에 있어서, 유전체 장벽 방전 (dielectric barrier discharge: DBD) 소스의 제1 금속전극;과 상기 제1 금속전극을 덮는 두께 d1 및 유전율 ε1의 유전체는 소정 간격을 두고 돌출된 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 분말 살균시스템.
- 제1항에 있어서, 유전체 장벽 방전 (dielectric barrier discharge: DBD) 소스의 제1 금속전극;과 상기 제1 금속전극을 덮는 두께 d1 및 유전율 ε1의 유전체는 순환식 벨트를 따라 수평으로 연속 펼쳐지게 설치되어 분말에 대해 지속적인 플라즈마 처리가 일어나게 한 것을 특징으로 하는 분말 살균시스템.
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