KR102617599B1 - 음식 처리에서의 사용을 위한 용기 - Google Patents

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Abstract

용기 내부에서 압력 전달 액체를 사용하는, 용기 내부에서의 재료의 고온 고압 처리를 위한 복층 용기로서, 상기 복층 용기는, 자체의 내측면과 접촉 상태에서 상기 액체를 수용하기 위한 플라스틱으로 형성되는 내측 층 및, 상기 내측 층의 외측의 그리고 상기 내측 층과 상이한 플라스틱으로 형성되는, 적어도 하나의 추가 층을 포함하는 용기 벽을 구비하고, 상기 내측 층은, 적어도 자체의 내측면과 접촉 상태의 상기 압력 전달 액체의 압축 가열 계수만큼 높은 압축 가열 계수를 구비하며, 그리고 상기 적어도 하나의 추가 층은, 주위 압력 및 온도에서 상기 내측 층보다 낮은 열 전도성을 구비하는 것인, 복층 용기.

Description

음식 처리에서의 사용을 위한 용기
본 발명은, 고온 고압 처리에서의 사용을 위한 용기 및 시스템에 그리고 용기를 사용하는 고온 고압 처리의 프로세스에 관한 것이다.
고압 처리(HPP)는, 음식(예를 들어, 음료수)의 저온 보존에, 즉 온도 대신 압력에 의해 야기되는 식물성 유기물의 불활성화를 위한, 그의 주된 적용을 갖는, 성숙한 기술이다. HPP 단독으로, 세균 포자를 비활성화시킬 수 없다. 통상적인 캔 포장 가공(canning)은, 중심의 적절한 열처리를 보장하기 위해 연장된 기간 동안 캔들의 외부를 상당히 과열시킬 필요성으로 인해, 안전하지만 낮은 품질의 제품을 생산한다.
고압 고온 처리의 사용은, 통상적인 열적 처리에 관한 여러 이점을 갖는다. 이들은, 압력 상승 도중의 음식 재료의 신속한 압축 가열(즉, 가압에 의해 야기되는 처리되는 재료 내에서의 온도의 증가) 및 압력 이완 도중의 신속한 감압 냉각(즉, 압축 가열의 반대)으로 인한, 감소된 열적 부하를 포함한다. 미생물 포자들은, 압력 및 온도가 조합될 때, 동반 상승적 불활성화를 보이는 것으로 확인된 바 있다. 결과적으로, 더 낮은 온도가, 동일한 정도의 불활성화를 달성하기 위해 요구되거나, 또는 더 짧은 처리 시간이, 단지 열적인 불활성화와만 동등한 온도에서, 요구된다. 이는, 열적 부하를 추가로 감소시키며, 이는, 맛, 향기, 색, 영양소 등과 같은 음식의 품질 특성들을 유지하기에 유리하다.
지금까지, 그러한 고압 열적 처리를 실행하기 위해, 압축 유체 및 통 벽들을 가열할 수 있는, 특수 설계된 고압 기계들이, 사용되어야만 한다. 실험실 규모 및 시험 규모 시스템들에서 달성 가능한 전형적인 최대 온도가, 100℃ 미만이다. 이러한 온도는, 일부 적용을 위해 충분하지만, 통상적으로 121℃까지에서 실행되는 살균을 위해서는, 여전히 너무 낮다.
지금까지, 압력과 상승된 온도를 조합할 수 있는, 상업적으로 이용 가능한 HPP 시스템은 존재하지 않는다. 고압 통에서의 가열에 대한 필요 없이, 가열된 고압 통 벽 또는 용기 내의 내부 히터를 통한 것인, 고압 열적 처리를 허용하는 것이 바람직하며, 그러한 가열은, 프로세스 도중에 온도를 유지하기 위해, 저항식 프로세스, 전기식 프로세스, 대류식 프로세스 또는 다른 프로세스에 의해 구현될 수 있다. 그러한 히터 시스템이 이용 가능했을 경우, 대류 및 전도로 인한 압력 유지 시간 도중의 온도 손실뿐만 아니라, 음식과 같은 가열될 재료, 처리 액체 및 일반적으로 금속인 고압 통 재료를 포함하는, 수반되는 상이한 재료들의 결과로서, 온도 구배가, 가열된 고압 통 내에서의 고압 열적 처리 도중에, 발생하는 경향이 있을 것이다.
음식 제품들과 같은 재료들의 상업적 규모 처리에 적당한 균일한 고압 및 고온 처리를 허용하기 위한, 고압 고온 처리를 위한 더욱 효율적이고 제거 가능한 시스템에 대한 필요성이 존재한다.
우리는, 용기 내부에서 압력 전달 액체를 사용하는, 용기 내부에서의 재료의 고온 고압 처리를 위한 복층 용기로서, 상기 복층 용기는, 자체의 내측면과 접촉 상태에서 상기 액체를 수용하기 위한 플라스틱으로 형성되는 내측 층 및, 상기 내측 층의 외측의 그리고 상기 내측 층과 상이한 플라스틱으로 형성되는, 적어도 하나의 추가 층을 포함하는 용기 벽을 구비하고, 상기 내측 층은, 적어도 자체의 내측면과 접촉 상태의 상기 압력 전달 액체의 압축 가열 계수만큼 높은 압축 가열 계수를 구비하며, 그리고 상기 적어도 하나의 추가 층은, 상기 내측 층보다 낮은 열 전도성을 구비하는 것인, 복층 용기를 제공한다.
한 세트의 실시예에서, 적어도 하나의 추가 층은, 25 ℃에서, 0.35 W·m-1K-1 이하의, 바람직하게 0.3 W·m-1K-1 그리고 더욱 바람직하게 0.26 W·m-1K-1 이하의, 열 전도성을 갖는다. 플라스틱의 열 전도성은, 온도 구배로 인해 단위 면적의 표면에 수직인 방향으로, 단위 두께의 재료를 통해 전달되는 열의 측정치이다. 25 ℃에서, 0.3 W/(m K) 이하의, 바람직하게 0.26 W/(m K) 이하의, 열 전도성을 갖는 플라스틱들의 예들은, 예를 들어, 폴리에스테르, 페놀 수지, 나일론, 폴리카보네이트, 천연 고무, 합성 고무, 열가소성 탄성중합체들, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 같은 할로겐화 폴리올레핀들, 폴리이미드들 및 아크릴릭스(acrylics)로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수 있을 것이다.
우리는, 외측 층에 사용되는 플라스틱들의 압축성이 고압 하에서의 열 전도성에 상당한 영향을 갖는다는 것을 확인한 바 있다. 따라서, 내측 층의 외측의 적어도 하나의 추가 층은 전형적으로, 또한 용기 벽의 내측 층보다 낮은 압축성을 구비할 것이다.
재료의 고온 고압 처리를 위한 시스템으로서, 본 명세서에 설명되는 바와 같은 용기 그리고 상기 용기 내부의 상기 재료 및 압력 전달 액체를 포함하는 것인, 재료의 고온 고압 처리를 위한 시스템이, 추가로 제공된다.
추가의 양태에서, 재료의 고압 열적 처리를 위한 프로세스로서,
(i) 이상에 설명된 바와 같은 복층 용기를 제공하는 단계;
(ii) 압력 전달 액체를 제공하는 단계;
(iii) 상기 복층 용기, 압력 전달 액체 및 재료를 예열하는 단계;
(iv) 상기 용기 내부에 처리될 상기 재료를 배치하며 그리고, 상기 재료에 압력을 가하기 위해 상기 재료와 연관되게 상기 용기 내부에 상기 압력 전달 액체를 제공하는 단계; 및
(v) 상기 용기 내부의 상기 압력 전달 액체에 압력을 가하는 단계
를 포함하고,
내측 층은, 상기 압력 전달 액체에 압축 가열을 제공하며 그리고 적어도 하나의 추가 층은, 낮은 열 전도성(단열)을 통해 상기 용기로부터의 열 손실을 감소시키는 것인, 재료의 고압 열적 처리를 위한 프로세스가 제공된다.
복층 용기, 압력 전달 액체 및 재료는 바람직하게, 40℃ 내지 150℃의 범위 이내의 처리될 재료 내의 목표 온도를 생성할 온도로 예열되며, 그리고 가해지는 압력은, 100 내지 1000 MPa의 범위 이내이다. 더욱 바람직하게, 복층 용기, 압력 전달 액체 및 재료는 바람직하게, 50℃ 내지 130℃의 범위 이내의 압력 하에서의 프로세스 온도를 생성할 온도로 예열되며, 그리고 가해지는 압력은, 300 내지 800 MPa의 범위 이내이다.
용기 및 프로세스는, 열적 고압 처리 도중에 용기 함유물의 가열을 제공하기 위한 내부 히터와 같은 특수화된 HPP 장비에 대한 요구 없이, 상승된 온도에서의 (압력 및 온도에 대한) 균일한 처리를 허용할, 표준의 (즉, 저온의) HPP 기계들의 사용을 허용한다. 더불어, 고압 처리 도중의 압력 전달 액체 전체에 걸친 온도의 효과적인 조정은, 단지 열적인 처리에서 지금까지 요구되었던 것보다 더 낮은 온도 및/또는 더 짧은 가열 기간을 허용한다. 이는, 더 짧은 처리 시간 및 덜 엄격한 조건이, 더 큰 처리 효율을 허용하며 그리고 음식의 품질이 더욱 효과적으로 유지되는 것을 허용하는, 음식 제품의 처리에서 상당한 이득을 갖는다.
용기의 내측 층은, 적어도 자체의 내측면과 접촉 상태에 놓이는 압력 전달 액체만큼 높은, 압축 가열 계수를 구비한다. 여기에서 사용되는 바와 같은, 압축 가열 계수에 대한 언급 또는 (압력 전달 액체와 같은) 다른 재료에 대한 압축 가열 계수에 대한 언급은, 주위 압력 및 온도(25℃)에서 결정되는 압축 가열 계수 또는 상대적 계수들을 지칭한다. 일반적으로 말하는 상대적 계수들은, 시스템과 프로세스의 작동 조건 하에서의 재료들의 상대적 계수들과 주위 온도에서 일치한다. 일반적으로, 내측 층을 위한 플라스틱 재료의 선택은 또한, 작동 온도보다 더 높은 용융점을 갖는 플라스틱 재료를 선택하는 것을 수반할 것이라는 것이 이해될 것이다. 따라서, 일반적으로, 플라스틱은, 60℃ 초과의, 바람직하게 90℃ 초과의, 그리고 더욱 바람직하게 적어도 120℃의, 용융점을 구비할 것이다.
임의의 재료의 압축 가열 계수는, 뒤따르는 방정식에 따라 결정될 수 있을 것이다:
kc = f(P,T) = (αp(P,T))/(ρ(P,T)·Cp(P,T))
여기서, T는 절대 온도(K)를, P는 압력(Pa)을, kc는 압축 가열 계수(Pa-1)를, αp는 열팽창 계수(K-1)를, ρ는 밀도(kg m-3)를, 그리고 Cp는 비열용량(J kg-1 K-1)을 나타낸다.
시스템의 작동 조건 하에서 재료들의 압축 가열 계수를 결정하기 위한 구체적인 절차가, 압력 및 온도의 함수로서 그리고 가압 재료의 열팽창 계수, 밀도 및 비열용량에 의존하는 것으로, 크뇌르저(Knoerzer) 등에 의한 식품 공학의 저널 98(2010년) 페이지 110-119에 및 크뇌르저 등에 의한 식품 공학의 저널 96(2010년) 페이지 229-238에, 기술된다. 압축 가열 계수를 결정하기 위해, 조사될 재료는, 일정 온도로 예열되고, 이어서 압력이 700-800 MPa 정도로 가해진다. 이러한 압력 레벨에서, 프로세스는, 열전대에 의해 측정되는 바와 같은 시험될 재료를 가로지르는 온도들이 동등해질 때까지, 유지된다. 이어서, 압력은, 짧은 시간 이내에 이완되며 그리고 압력 및 온도가 기록된다. 이러한 기록된 압력/온도 프로파일은 이어서, 상이한 압력 레벨들에서의 기울기에 관해 평가되며, 그리고 이상에 언급된 공개문헌 내의 방정식 3을 통해, 압축 가열 계수가, 개별적인 압력 및 온도 레벨에 대해 유도된다. 이러한 프로세스는, 압력 및 온도 조합의 함수로서 압축 가열 속성들에 대한 방정식을 생성하는 2차원적 맞춤(two-dimensional fitting)을 허용하는, 충분한 데이터가 수집될 때까지, (압력 하에서 상이한 온도들을 생성하는) 상이한 초기 온도들에 대해 반복된다. 이러한 프로세스가, 넓은 범위의 압력들 및 온도들에 걸친 재료의 거동 및 프로세스의 효율을 확인하기 위해 사용될 수 있지만, 플라스틱 재료들은, 대기압 및 주위 온도(25℃)에서의 압축 가열 계수에 관련하여 선택될 수 있을 것이다.
열 전도성은, 정상 상태 하에서의 단위 온도 구배로 인한, 단위 면적의 표면에 수직인 방향으로, 단위 두께의 재료를 통해 전달되는 열의 양으로서 정의된다. 주위 압력에서의 일반적인 재료들의 열 전도성에 대한 표들이, 공학 도구상자(www.EngineeringToolBox.com) 또는 온라인 재료 데이터베이스(www.matbase.com)에서와 같이, 쉽게 이용 가능하다.
여기에서 언급되는 압축성은, 압력(또는 평균 응력) 변화에 대한 응답으로서의 고체의 상대 채적 변화의 측정치이다. 압축성 값들은, 특정 재료들에 대한 밀도 및 음속에 관한 쉽게 이용 가능한 정보로부터 계산될 수 있으며, 압축성(βs)은, 뒤따르는 식으로 표현될 수 있고:
βs = 1/ρc2
여기서 ρ는 밀도이며 그리고 c는 음속이다.
용어들 "포함한다", "포함한다", "포함된다" 또는 "포함하는"이 (청구범위를 포함하는) 본 명세서에서 사용되며, 이들은, 진술된 특징들, 정수들, 단계들 또는 구성요소들의 존재를 구체화하는 것으로 해석되어야하지만, 하나 이상의 다른 특징들, 정수들, 단계들 또는 구성요소들, 또는 이들의 그룹의 존재를 배제하지 않는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은, 본 발명에 따른 복층 용기의 개략적 단면도이다.
도 2는, HPP를 위한 공지된 유형의 것일 수 있는 압력 통 내에 수용되는, 도 1에 따른 복층 용기를 포함하는, 본 발명에 따른 고압 열적 처리를 위한 시스템의 종방향 단면도를 도시한다.
도 3은, 15분 동안의 고압 열적 처리 도중의, 단일 벽 PTFE 용기의 상부, 중간 및 하부에서의, 시간에 대한 (압력 전달 액체로서 사용되는) 물의 온도의 변동을 도시하는 그래프이다.
도 4는, 15분 동안의 고압 열적 처리 도중의, 본 발명에 따른 2층(PTFE 외측 층 및 PP 내측 층) 용기의 상부, 중간 및 하부에서의, 시간에 대한 (압력 전달 액체로서 사용되는) 물의 온도의 변동을 도시하는 그래프이다.
도 5는, 15분 동안의 고압 열적 처리 도중의, 본 발명에 따른 3층(PTFE 외측 층, PP 중간 층 및 HDPE 내측 층) 용기의 상부, 중간 및 하부에서의, 시간에 대한 (압력 전달 액체로서 사용되는) 물의 온도의 변동을 도시하는 그래프이다.
도 6은, 15분 동안의 목표 살균 온도에서의 고압 열적 처리 도중의, 본 발명에 따른 2층(PTFE 외측 층 및 HDPE 내측 층) 용기의 상부, 중간 및 하부에서의, 시간에 대한 (압력 전달 액체로서 사용되는) 물의 온도의 변동을 도시하는 그래프이다.
도 7은, 15분 동안의 목표 살균 온도에서의 고압 열적 처리 도중의, 본 발명에 따른 3층(PTFE 외측 층, PP 중간 층 및 HDPE 내측 층) 용기의 상부, 중간 및 하부에서의, 시간에 대한 (압력 전달 액체로서 사용되는) 물의 온도의 변동을 도시하는 그래프이다.
도 8은, 15분 동안의 목표 살균 온도에서의 고압 열적 처리 도중의, 본 발명에 따른 3층(PVC 외측 층, PP 중간 층 및 HDPE 내측 층) 용기의 상부, 중간 및 하부에서의, 시간에 대한 (압력 전달 액체로서 사용되는) 물의 온도의 변동을 도시하는 그래프이다.
도 9는, 15분 동안의 목표 저온살균 온도에서의 고압 열적 처리 도중의, 본 발명에 따른 3층(PTFE 외측 층, PP 중간 층 및 HDPE 내측 층) 용기의 상부, 중간 및 하부에서의, 시간에 대한 (압력 전달 엑체로서 사용되는) 물의 온도의 변동을 도시하는 그래프이다.
본 발명은, 용기 내부에서 압력 전달 액체를 사용하는, 용기 내부에서의 재료의 고온 고압 처리를 위한 복층 용기 및 시스템으로서, 상기 복층 용기는, 자체의 내측면과 접촉 상태에서 상기 액체를 수용하기 위한 플라스틱으로 형성되는 내측 층 및, 상기 내측 층의 외측의 그리고 상기 내측 층과 상이한 플라스틱으로 형성되는, 적어도 하나의 추가 층을 포함하는 용기 벽을 구비하고, 상기 내측 층은, 적어도 자체의 내측면과 접촉 상태의 상기 압력 전달 액체만큼 높은, 즉 특정 압력 레벨에서 적어도 동일한 압축 가열을 겪는, 압축 가열 계수를 구비하며, 그리고 상기 적어도 하나의 추가 층은, 제1 층보다, 더 낮은 압축성 및 그에 따른 압력 하에서의 더 낮은 열 전도성을 구비하는 것인, 복층 용기 및 시스템을 제공한다.
상기 용기 벽의 상기 내측 층은, 적어도 자체의 내측면과 접촉 상태에 놓이는 압력 전달 액체의 압축 가열 계수만큼 높은, 압축 가열 계수를 갖는다. 고온 고압 처리 도중의 용기의 작동 시, 이는, 압력 전달 액체로부터 층으로의 열 손실로 이어질 수 있는 온도 구배를 방지하는 것, 또는 내측 층의 압축 가열 계수가 압력 전달 액체보다 더 높은 경우, 용기가 고압 처리 도중에 층으로부터 매체로 열을 제공하는 것을, 야기한다.
한 세트의 실시예에서, 내측 층의 압축 가열 계수(kc)는, 주위 온도 및 압력에서 적어도 6.2 x 10-11Pa-1, 바람직하게 주위 온도 및 압력에서 적어도 8 x 10-11Pa-1이다. 일련의 쉽게 이용 가능한 플라스틱들(및 물)의 (25℃ 및 주위 압력에서의) 압축 가열 계수가, 표 1에 나타난다.
재료 열 팽창 계수(K-1) 비열용량(J·kg-1·K-1) kc(Pa-1)
물 2.6·10-04 4181 6.2·10-11
PTFE 1.3·10-04 1000 5.9·10-11
PP 1.5·10-04 1800 8.8·10-11
HDPE 2.0·10-04 1900 1.1·10-10
PVC 8.5·10-05 1250 4.8·10-11
PMMA 7.5·10-05 1450 4.4·10-11
폴리카보네이트 6.6·10-05 1200 1.6·10-11
ABS 1.0·10-04 1400 6.9·10-11
PEEK 5.5·10-05 1340 3.1·10-11
PET 5.9·10-05 1000 4.2·10-11
PES 5.6·10-05 1100 3.7·10-11
PI 5.0·10-05 1090 3.2·10-11
PVDF 1.1·10-04 1200 5.1·10-11
PFA 1.4·10-04 1000 6.5·10-11
내측 층의 외측의 적어도 하나의 추가 층의 열 전도성은 일반적으로, 25℃에서, 0.33 W·m-1K-1 이하의, 바람직하게 0.3 W·m-1K-1 이하의, 그리고 더욱 바람직하게 0.26 W·m-1K-1 이하이다. 특히 바람직한 실시예에서, 내측 층의 외측의 적어도 하나의 추가 층의 열 전도성은, 25℃에서, 0.2 W·m-1K-1 이하이다.
내측 층의 외측의 적어도 하나의 용기 층은 바람직하게, 내측 층보다 낮은 압축성을 구비한다. 더 낮은 압축성은, 압력 하에서 내측 층보다 더 낮은 열 전도성을 제공하는 것을 지원한다. 내측 층의 외측의 적어도 하나의 층의 압축성은 바람직하게, 2.5 x 10-10 Pa-1 이하이다. 한 세트의 실시예에서, 압축성은, 2 x 10-10 Pa-1 이하이다.
낮은 압축성 및 낮은 열 전도성의 조합은 전형적으로, 용기 둘레의 가압 액체와 같은 재료 및 차가운 고압 통 벽들을 향한 (상당한 온도 구배로 인한) 잠재적 열 손실에 대응하기 위한, 압력 유지 시간 도중의 양호한 단열을 제공할 것이다.
다수의 쉽게 이용 가능한 플라스틱들(및 물)에 대한 (25℃ 및 주위 압력에서의) 압축성 및 열 전도성이, 표 2에 나타난다.
재료 밀도(kg·m-3) 음속(m·s-1) 압축성(Pa-1) 열전도성(W·m-1·K-1)
물 1000 1482 4.6·10-10 0.6
PTFE 2200 1400 2.3·10-10 0.25
PP 950 2400 1.8·10-10 0.2
HDPE 930 1900 3.0·10-10 0.5
PVC 1420 2395 1.2·10-10 0.19
PMMA 1180 3350 7.6·10-11 0.2
폴리카보네이트 1200 2270 1.6·10-10 0.19
ABS 1040 2250 1.9·10-10 0.17
PEEK 1320 2580 1.1·10-10 0.15
PET 1400 2400 1.2·10-10 0.15
PES 1370 2300 1.4·10-10 0.13
PI 1420 2500 1.1·10-10 0.2
PVDF 1780 2560 8.6·10-11 0.1
내측 층 외측의 층을 위한 요구되는 열 전도성 및 압축성을 구비하는 적당한 재료들의 예들이, 폴리에스테르, 나일론, 폴리카보네이트, 천연 고무, ABS와 같은 합성 고무, 페놀 수지, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에테르 설폰(PES), 폴리이미드들(PI), 폴리플루오로알콕시 알칸(PFA), 열가소성 탄성중합체들, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)와 같은 아크릴릭스, 폴리프로필렌(PP), 폴리염화비닐(PVC)과 같은 할로겐화 폴리올레핀, 폴리비닐리덴 디플루오라이드(PVDF) 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 플라스틱을 포함한다. 한 세트의 실시예에서, 외측 층은, PMMA, PVDF, PP 및 PTFE로 구성되는 그룹으로부터 선택된다. PMMA 및 PVDF는, 낮은 압축성 및 낮은 열 전도성으로 인해, 특히 바람직하다.
한 세트의 실시예에서, 내측 층은, 중밀도 또는 고밀도 폴리에틸렌이며, 그리고 용기는, 내측 층 외측에 적어도 2개의 층을 더 포함하고, 적어도 2개의 외측 층은, 폴리에스테르, 나일론, 폴리카보네이트, 천연 고무, 합성 고무, 페놀 수지, 열가소성 탄성중합체들, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 같은 할로겐화 폴리올레핀들, 폴리이미드들 및 아크릴릭스로 구성되는 그룹으로부터 선택된다. 한 세트의 실시예에서, 내측 층 외측의 층들은, PP 또는 ABS의 층 및 PTFE, PVC, PVDF 및 PMMA로부터 선택되는 플라스틱의 층을 포함한다.
한 세트의 실시예에서, 용기 벽은, 바람직하게 연속적인, 적어도 3개의 층을 포함하고, 내측 층은, 물보다 더 큰 압축 가열을 제공하는 플라스틱을 포함하며, 중간 층은, 내측 층보다 낮은 압축 가열 그러나 중간 압축성을 구비하고, 그에 따라 (외측 층보다 더 많은) 압축 가열 및 (내측 층보다 더 우수한) 단열을 제공하며, 그리고 중간 층 외측의 제3 층이, 중간 층보다 더 낮은 압축 가열을 제공한다. 한 세트의 실시예에서, 내측 층은, 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)이고, 중간 층은, 폴리프로필렌(PP)이며, 그리고 중간 층 외측의 층은, PMMA, PVC, PET, PES, PI, PVDF 및 PTFE로 구성되는 그룹으로부터 선택된다. 한 세트의 실시예에서, 중간 층 외측의 층은, PMMA 또는 PVDF이다.
복수 벽 용기들의 구체적인 예들은, (내측으로부터 점진적으로 내측 층의 더 외측의 층들로) 뒤따르는 층들을 포함하는 벽을 구비하는 용기들을 포함한다: HDPE/PP/PMMA, HDPE/PP/PVDF, HDPE/PP/PTFE, HDPE/PP, HDPE/PMMA, HDPE/PVDF, HDPE/PP/PEEK, HDPE/PP/PI, HDPE/ABS, HDPE/ABS/PMMA 및 HDPE/ABS/PVDF.
복층 벽은 바람직하게, 내측, 중간 및 추가적 벽의 연속적 배열을 포함한다. 벽들은, 융합될 수 있으며, 또는 분리 가능한 층들의, 예를 들어 슬라이딩 가능하게 맞물리도록 맞춰지는 상이한 직경의 원통형 층들의, 꼭끼워 맞춤 배열(close fitting arrangement)을 형성할 수 있을 것이다.
용기 벽의 층들의 두께는, 용기의 치수들에 그리고 요구되는 단열 및 압축 가열의 정도에 관련하여, 선택될 수 있을 것이다. 한 세트의 실시예에서, 층들은, 1 mm 내지 50 mm의 범위 이내의 두께이다.
용기는 일반적으로, 복층 구조를 포함하는 바닥 벽 및 측면 벽을 포함할 것이다. 용기 벽은, 다양한 형상 및 치수로 준비될 수 있을 것이다. 한 세트의 실시예에서, 용기는, 원통형 측면 벽 및 측면 벽 상에 밀봉되는 폐쇄 단부 벽을 포함한다. 원통형 측면 벽 및 바람직하게 단부 벽 또한, 복층 구조의 것이다. 용기는, 한 세트의 실시예에서, 밀봉된 단부 벽 반대편에 개구를 갖도록 제공되며, 그리고 개구로부터 압력이 용기 내부의 압력 전달 액체에 가해진다. 바람직한 세트의 실시예에서, 용기 개구는, 용기 측면 벽 내측면에 대해 밀봉하는 피스톤을 갖도록 제공되며, 그리고 피스톤은, 용기의 외부로부터 (압력 전달 액체에 압력을 가하기 위해) 피스톤에 가해지는 압력에 응답하여 이동 가능하다. 피스톤은, 단일층 또는 복층 구조의 것일 수 있으며, 그리고 한 세트의 실시예에서, 이상에 설명된 바와 같은 복층 구조를 포함할 수 있을 것이다. 바람직한 세트의 실시예에서, 피스톤은, 용기의 내측 층과 동일할 수 있는 압축 가열 재료로 구성되는 단일층이다.
일반적으로, 용기는, 더 큰 직경의 원통형 고압 챔버와 같은 원통형 고압 챔버 내에 조립되도록 맞춰지는, 복층 용기를 형성하는 원통형 측면 벽 및 단부 벽을 포함한다. 복층 용기는 바람직하게, 고압 챔버 내부에 그리고 용기에 외부적으로 가해지는 압력에 응답하여, 원통형 측면 벽 내부에서 이동 가능한, 피스톤을 갖도록 제공된다. 피스톤은, 용기의 측면 벽에 대한 밀봉부를 형성하는, 둘레 에지를 구비할 수 있을 것이다. 용기 측면 벽의 내측면에 대해 밀봉하는 피스톤의 사용은, 가압 매체의 진입을 방지한다. 피스톤은, 용기의 내측 층으로서 제공되는 압축 가열 플라스틱으로 형성될 수 있을 것이다. 피스톤은 또한, 복층 구조의 것일 수 있지만, 일반적으로 우리는, 단일층 구조가 적당한 것으로 확인한 바 있다.
한 세트의 실시예에서, 재료의 고온 고압 처리를 위한 시스템으로서, 이상에 설명된 바와 같은 용기 그리고 상기 용기 내부의 상기 재료 및 압력 전달 액체를 포함하는 것인, 재료의 고온 고압 처리를 위한 시스템이, 제공된다.
한 세트의 실시예에서, 용기는, 압력 전달 액체에 고압을 가하기 위한 압력 챔버 내부에 수용된다. 압력 챔버는 바람직하게, 압력 전달 액체에 그리고 처리될 재료에 압력을 전달하기 위한, 액체 가압 매체로서, 상기 가압 매체에 의해 가해지는 압력에 응답하는 피스톤에 의해 용기 내부의 상기 압력 전달 액체로부터 분리되는 것인, 액체 가압 매체를 수용한다.
추가의 양태에서, 재료의 고압 열적 처리를 위한 프로세스로서,
(i) 본 명세서에 설명된 바와 같은 복층 용기를 제공하는 단계;
(ii) 압력 전달 액체를 제공하는 단계;
(iii) 상기 복층 용기, 압력 전달 액체 및 재료를 예열하는 단계;
(iv) 상기 용기 내부에 처리될 상기 재료를 배치하며 그리고, 상기 재료에 압력을 가하기 위해 상기 재료와 연관되게 상기 용기 내부에 상기 압력 전달 액체를 제공하는 단계; 및
(v) 상기 용기 내부의 상기 압력 전달 액체에 압력을 가하는 단계
를 포함하고,
내측 층은, 상기 압력 전달 액체에 압축 가열을 제공하며 그리고 적어도 하나의 추가 층은, 상기 용기로부터의 열 손실을 감소시키는 것인, 재료의 고압 열적 처리를 위한 프로세스가 제공된다.
용기 및 내용물을 고압 처리에 종속시키기 이전에 사용되는 예열 온도는, 처리될 재료에 대해 결정되며 그리고 압력 레벨 및 목표 온도에 기초하게 된다. 목표 온도는, 40℃ 내지 150℃의 범위 이내이다. 바람직하게, 예열 온도는, 50℃ 내지 130℃의 그리고 더욱 바람직하게 60℃ 내지 121℃의 범위 이내의 프로세스 온도를 생성할 것이다. 프로세스 도중의 압력은 예를 들어, 400 MPa 내지 800 MPa과 같은, 100 MPa 내지 1000 MPa(1000 내지 10000 bar)일 수 있을 것이다. 압력 유지 시간은, 1초 내지 30분일 수 있다. 바람직한 세트의 실시예에서, 압력은, 30초 내지 5분의 범위 내에서 유지된다. 예열 온도는, 압력, 목표 온도, 그리고 처리될 재료, 가압 유체 및 선택된 내측 층의 압축 가열 속성들을 포함하는, 시스템이 작동할 조건에 의존할 것인 가운데, 예열 온도는, 30℃ 내지 100℃의, 바람직하게 40℃ 내지 90℃의 그리고 가장 바람직하게 40℃ 내지 70℃의 범위 이내이다. 한 세트의 실시예에서, 압력 전달 액체는 수용성 액체이고, 재료는 음식 제품이며, 그리고 예열 온도는, 30℃ 내지 100℃의, 바람직하게 40℃ 내지 90℃의 그리고 가장 바람직하게 40℃ 내지 70℃의 범위 이내이며, 그리고 고압 처리 도중에 획득되는 온도는, 40℃ 내지 150℃, 더욱 바람직하게 50℃ 내지 130℃ 그리고 가장 바람직하게 60℃ 내지 121℃의 범위 이내이다.
바람직한 세트의 실시예에서, 압력 전달 액체 및 재료의 온도는, 가압 이후에, 즉 압축 가열의 결과로서의, 압력 유지 시간 도중에, 목표 온도보다 5℃ 이상 낮은 온도에서 유지된다. 이러한 방식으로, 시스템은, 그렇지 않은 경우에 가능한 것보다 더 긴 기간 동안 요구되는 레벨에서 내용물의 온도를 유지하기 위해, 가열된 고압 통 벽들을 통한 용기 내용물의 부가적 가열에 대한 또는 외부적으로 가해지거나 또는 용기 내에서 실행되는 임의의 다른 형태의 가열에 대한 필요 없이, 작동될 수 있을 것이다.
용기 시스템은, 예를 들어 의약품들, (액체, 반고체 및 고체 음식 제품을 포함하는) 음식 제품들, 화학 물질 및/또는 생물학적 물질, 및 용기 내부의 조건 하에서 화학적 또는 생물학적 반응을 수행하기 위한 반응물과 같은, 재료들의 범위의 처리에서 사용될 수 있을 것이다. 재료는, 한 세트의 실시예에서, 압력 전달 액체와 혼합되거나, 압력 전달 액체 내에 용해되거나, 또는 압력 전달 액체 내에 떠 있을 수 있을 것이다.
특히 바람직한 세트의 실시예에서, 용기 내에서 처리될 재료는 음식 재료이며, 그리고 압력 전달 액체는 수용성 매체이다. 이러한 실시예에서, 압력 및 온도 프로파일은, 음식 제품의 저온살균 또는 살균을 달성하도록 제공될 수 있을 것이다.
도면들을 참조하면, 압력 전달 액체 및 고압 고온 처리를 위한 재료를 수용하기 위한 내부 공간(5)을 한정하는, 원통형 측면 벽(2), 바닥 벽(3)을 구비하는 벽 및 이동 가능한 압축 피스톤(4)을 포함하는 용기(1)의 개략적 단면도가, 도 1a에 도시된다. 측면 벽(2) 및 바닥 벽(3)은, 플라스틱 재료로, 특히 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 형성되는, 압축 가열을 위한 내측 층(6), 내측 층보다 낮은 압축 가열 계수 및 압축성(즉, 압력 하에서의 더 낮은 열 전도성)을 구비하는 중간 층(7), 및 압력 하에서 낮은 열 전도성을 유지하기 위한, 층들(6, 7)보다 낮은 압축성의 그리고 25 ℃에서, 0.3 W/(m K) 이하의, 바람직하게 0.26 W/(m K) 이하의 열 전도성과 같은 낮은 열 전도성의, 외측 층(8)을 포함하는, 3개의 연속적인 층으로 형성된다. 피스톤(4)은, HDPE와 같은 압축 가열을 위한 플라스틱으로 형성된다.
한 세트의 실시예에서, 프로세스는, 뒤따르는 단계들을 포함한다:
1. 용기의 모든 층들(6, 7, 8)을 포함하는 용기(1) 내의, 음식 제품, 압축 유체를, 함께 또는 별개로, (가압 이후에 압력 전달 액체 및 처리될 재료 내에 목표 온도를 제공할 수 있는) 요구되는 초기 온도로 예열하는 단계;
2. 분리된 경우, 용기의 모든 층들(6, 7, 8)을 조합하고, 예열된, 수용성 액체와 같은, 압력 전달 액체 및 음식 제품으로 내부 공간(5)을 채우며; 그리고 압축 유체 및 음식 제품과 접촉하는 내측 층과 동일한 재료로 이루어지는, 예열된 뚜껑(이동형 피스톤)(4)으로 폐쇄하는 단계;
3. 용기를 고압 기계 내로 전달하는 단계;
4. 피스톤(4)이 압력 구배로 인해 용기 챔버 내로 이동하도록 야기하도록 그리고 그에 따라 용기 내의 압력 전달 액체 및 처리될 재료의 가압을 야기하도록, (목표 압력에서 그리고 요구되는 압력 유지 시간 동안) 고압을 용기에 가하는 단계;
5. (주위 압력까지) 압력을 이완시키는 단계;
6. 용기를 고압 기계로부터 제거하는 단계;
7. 음식 제품을 용기로부터 빼내는 단계.
도 2는, 도 1에 따른 복층 구조를 구비하며 그리고 바닥 벽(13), 측면 벽(14) 및 개방 단부(15)를 포함하는, 원통형 용기(12) 내부에서의 압력 전달 액체(11) 내의 재료의 고압 열적 처리를 위한 시스템(10)의 실시예를 도시한다. 피스톤(16)은, 용기 측면 벽(14)의 내측면과 함께 밀봉부를 형성하며, 그리고 처리 도중에 가해지는 압력에 응답하여 용기(12) 내부에서 이동할 수 있다. 피스톤은 바람직하게, 용기(12)의 내측 층에 대응하는 재료의 단일층이다(도 1의 피스톤(4) 및 내측 층(6) 참조).
시스템의 작동시, 용기(12)는, 측면 벽(18), 단부 벽들(19, 20), 및 압력 유체를 위한 개구(21)를 구비하는, 압력 통(17) 내에 배치된다.
작동시, 압력 유체(22)는, 용기(12)에 압력을 가하기 위해 개구(21)를 통해 압력 통(17) 내로 압력 하에서 힘을 받게 되며, 복층 용기(12)의 바닥(13)을 향해 피스톤(16)을 압박하여, 그로 인해 압력 전달 액체(11)에 압력을 가하도록 한다.
압력 유체(22)를 통해 용기(12) 및 피스톤(16)에 그리고 용기(12) 내부의 압력 전달 액체(11)에 가해지는 압력은, 용기(12)의 그리고 특히 용기(12)의 내측 층(도 1의 참조부호 ‘6’)에서의 단열 가열을 야기한다.
통(17) 및 용기(12)는, 수평, 수직 또는 다른 방향과 같은 임의의 적당한 방향으로 배열될 수 있을 것이다. 용기에 압력을 가하기에 적당한 압력 통들 및 시스템들이, 당해 기술분야에 공지된다.
지금부터 본 발명의 이상의 일반적 원리들을 실시하는 실험들에 대한 참조가 이루어질 것이다. 그러나, 뒤따르는 설명은, 이상의 설명의 일반 원리를 제한하고자 하는 것은 아니라는 것이 이해될 것이다.
예들
예 1: 표준 (저온) 고압 시스템 내에서의 고압 열적 처리에 대한 실험적 연구
시험들은, 아뷰어(Avure) 사의 35L 고압 기계 내에서 수행되었다. 시스템의 온도는, 주변 온도(~18℃)에 유지되었고; 진입하는 압축 유체는 ~15℃였다.
3개의 용기 시스템이, 도 1을 참조하여 설명된, 그러나 더 적은 수의 층을 구비한다는 점에서 비교예 및 시스템 1에 대해 상이한, 원통형 벽 용기를 사용하여 조사되었다:
비교예 - 단지 하나의 층(PTFE);
발명 시스템 1 - 2개의 층(PTFE 외측 층, PP 내측 층); 및
발명 시스템 2 - 3개의 층(PTFE 외측 층, PP 중간 층 및 HDPE 내측 층).
압력은 600 MPa로 설정되었고, 상업적 프로세스는 거의 5분(전형적으로 3분)을 넘지 않지만, 압력 유지 시간은 15분으로 설정되었으며; 여기서 연장된 유지 시간의 목적은 비교적 심각한 경우의 조건 하에서 본 발명을 입증하는 것이었다.
용기 재료(들) 및 용기 내부의 물을 위한 예열 온도는, 압력(600 MPa) 하에서, 크뇌르저 등에 의한 식품 공학의 저널 96(2010년) 페이지 229-238에 그리고 크뇌르저 등에 의한 식품 공학의 저널 98(2010년) 페이지 110-119에 따른, 예측된 목표 온도(압축 가열 조건에서, 즉 가압 도중에 열 손실 없음)를 제공하는, 56-58℃로 설정되었다.
- 물: 개별적으로, 78.5 및 81℃
- PTFE: 개별적으로, 78 및 80℃
- PP: 개별적으로, 81 및 83℃
- HDPE: 개별적으로, 86 및 89℃
이러한 데이터로부터 확인될 수 있는 바와 같이, 외측 층(PTFE)은, 용기 내용물(물)의 압축 가열보다 약간 작은, 최소의 압축 가열을 겪고, 중간 층(PP)은 용기 내용물의 압축 가열보다 바로 위의 압축 가열을 보이는 반면, 물과 접촉 상태의 내측 층(HDPE)은, 용기 내용물의 압축 가열보다 큰 압축 가열을 보이며, 따라서, 재료의 단열 특성을 통해 열 손실에 대항할 수 있을 뿐만 아니라, 동시에 내부 히터로서 작용하여 추가로 압력 유지 시간 도중에 온도 손실에 대항하도록 할 수 있다.
도 3, 도 4, 및 도 5는, 개별적으로 1-층 구성(PTFE), 2-층 구성(PTFE, PP) 및 3-층 구성(PTFE, PP, HDPE)에 대해, 크뇌르저 등에 의한 식품 공학 리뷰 2(2010년) 페이지 216-225에 설명된 바와 같이, 써모-에그(thermo-egg), 압력 및 온도 안정 데이터 로거(data logger)를 사용한, 용기 내의 상부, 중간 및 하부 위치에서의 프로세스 전체에 걸친 용기 내부에서 획득되는 온도 프로파일들을 도시한다. 도 3 내지 도 9에서, 그래프들이 그래프들의 고온 영역에서 분리될 때, 상부, 중간 및 하부의 용기 위치들이, 개별적으로 상부, 중간 및 하부의 그래프에 대응한다.
도 3에서 확인될 수 있는 바와 같이, 목표 온도는 거의 압력 상승의 종료시에 도달될 수 있는 가운데, 상부 위치를 제외하고, 온도들은, 압력 유지 시간의 개시 거의 직후에 떨어진다. 상부 위치는, 상이한 온도에서의 물의 밀도 차이로 인해 더 차가운 물이 하부로 이동하는 가운데 더 따듯한 물이 상부로 올라감에 따라, 약 1-2분 동안 온도를 유지할 수 있다. 이는 궁극적으로, 명확한 밀도 계층화, 상부로부터 하부까지 최대 6℃의 상당한 온도 차이, 및 하부 위치에서 거의 12℃의 최대 전체 온도 손실로 이어진다. 열 손실의 원인은, PTFE 층을 통한 열 전도 및, 60℃ 초과의 용기 내용물과 외측의 압축 유체 및 용기 벽들 사이의 명확한 온도 구배로 인한 것이다. 이러한 단일층 구성은, 단지 약간 상승된 온도 및 단지 매우 짧은 유지 시간에서만, 고압 처리에 적당할 수 있을 것이다.
도 4는 더 양호한 열의 유지를 보여준다. ~79℃의 목표 온도가 도달된 다음, 프로세스에서 약 5분 동안 유지된다(~0.5℃가 그러한 시간 동안 손실되지만, 분포는 여전히 균일함). 그 후, 밀도 계층화가 일어나며 그리고 3℃ 초과의 상부로부터 하부로의 온도 차이가 발생하고; 가장 차가운 위치에서의 압력 유지 시간의 종료시의 전체 온도 손실은, 5℃ 초과이다.
도 5는, 임의의 경제적으로 실현 가능한 고압 프로세스보다 상당히 더 긴, 압력 유지 시간의 종료시에도, 즉 15분 이후에도, 매우 우수한 온도의 유지를 보여준다. 최대 ~1℃가, 가장 차가운 지점에서 손실된다. 온도들은, 여전히 균일하며, 그리고 압력 유지 시간의 10분까지 목표 온도에 놓인다. 내측 층(HDPE)의 더 높은 온도에 의해 야기되는 약간의 온도 증가가, 처음 몇 분 동안에 확인될 수 있으며, 이는 내부 히터로서 작용하는 내측 층의 기능을 입증한다.
이러한 예들은, 특정 적용을 위해 요구되는 프로세스 조건에 의존하여, 단일층, 2층 및 3층 구조에서 사용될 수 있는, 복층 용기 개념을 입증한다.
예 2: 본 발명이 표준 (저온) 고압 시스템 내에서의 고압 열적 처리의 목적을 위해 역할을 한다는 것을 입증하기 위한 수치적 모델링 연구
수치적 모델링 연구가, 통상적 살균 온도(즉, 121 ℃)까지의 온도에서 열을 유지할 가능성을 평가하기 위해, 상업적 소프트웨어 패키지, COMSOL 멀티피직스(COMSOL AB사, 스톡홀름, 스웨덴)를 사용하여 수행되었다. 적용된 절차는, 예를 들어, 크뇌르저 등에 의한 AIChE 저널 2007년 53판 11권 2996-3010 페이지 및 크뇌르저와 차프만 등에 의한 식품 공학 저널 104(2011년) 404-413 페이지에 설명된 바와 같다.
뒤따르는 프로세스 조건들이 선택되었다:
- 초기 온도(가압 이전): 90℃
- 목표 압력: 600 MPa
- (압축 가열에 뒤따르는) 압력 하에서의 목표 온도:
물: 120.6℃
PTFE: 114℃
PP: 119℃
HDPE: 126℃
- 유지 시간: 5 min
- 유체 영역(즉 용기 내의 공정 유체) 내에서의 자연 대류
- 전도 및 대류를 통한 열 전달
- (즉 외측 층 외측부 상의) 주변 온도: 20℃
1-층 구조가 상당한 열 손실 및 밀도 계층화(즉, 용기의 하부의 차가운 영역, 상부의 더 따듯한 영역)의 발달을 보인다는 것이 확인되었다. 이는 또한, 상당히 현저한 것은 아니지만, 2-층 구조에 대해서도 어느 정도 확인된다.
3-층 구조는, 심지어 압력 유지 시간의 종료시에도 120.6℃의 목표 온도에 가까운, 균일한 온도 분포를 보인다.
표 3은, 3가지 시나리오에 대한 압력 유지 시간의 종료시의 용기 내의 평균적 최대 온도 및 최소 온도를 보여준다. 1-층 구조(단지 PTFE)는, PTFE의 최대 압축 가열이 수용된 물의 압축 가열보다 더 낮음에 따라, 더 차가운 용기 벽에 의해 어느 정도까지 시작하도록 야기되는, 그러나 이후에 또한 압력 유지 시간 도중에 전도 및 대류를 통한 상당한 열적 손실로 인한, 25.6℃의 가장 차가운 지점에서 온도의 손실 및 평균적으로 16.7℃의 손실로 이어진다.
이는, 단지 2.6℃의 평균 열 손실 및 8.6℃의 (용기의 하부에서의) 최대 열 손실을 보이는, 2-층 구조(PP 내측 층/PTFE 외측 층)에 대해 상당히 덜 현저하다.
3-층 구조(HDPE 내측 층/PP 중간 층/PTFE 외측 층)는, 단지 0.6℃의 평균 온도 강하 및 2.6℃의 최대 온도 강하를 동반하는 가운데, 열을 최상으로 유지한다.
표 3: 600 MPa, 120.6℃의 목표 온도에서, 그리고 5분의 유지 시간 후의, 고압 열적 처리를 위한 용기 내에서의 평균 온도, 최대 온도 및 최소 온도
T물 내에서의 평균 T최대 T최소
PTFE 103.9℃ 109℃ 95℃
PP/PTFE 118℃ 120℃ 112℃
HDPE/PP/PTFE 120℃ 120.5℃ 118℃
또한 이러한 예는, 심지어 용기 내용물과 용기 외부의 압축 유체 및 고압 통 벽 사이의 ~100℃의 매우 높은 온도 구배에서의, 용기 및 표준 (저온) 고압 기계 내에서의 고압 열적 처리를 위한 용기의 사용의 개념을 설명한다.
예 3: 표준 (저온) 고압 시스템 내에서의 상업적 살균 온도들에서의 고압 열적 처리에 대한 실험적 연구
시험들은, 아뷰어 사의 35L 고압 기계 내에서 수행되었다. 시스템의 온도는, 주변 온도(~18℃) 아래로 유지되었고; 진입하는 압축 유체는 ~12℃였다.
3개의 용기 시스템이, 원통형 벽 용기를 사용하여 조사되었다:
발명 시스템 4 - 2개의 층(PTFE 외측 층, PE 내측 층); 및
발명 시스템 5 - 3개의 층(PTFE 외측 층, PP 중간 층 및 HDPE 내측 층).
발명 시스템 6 - 3개의 층(PVC 외측 층, PP 중간 층 및 HDPE 내측 층).
압력은 600 MPa로 설정되었고, 상업적 프로세스는 거의 5분(전형적으로 3분)을 넘지 않지만, 압력 유지 시간은 15분으로 설정되었으며; 여기서 연장된 유지 시간의 목적은 비교적 심각한 경우의 조건 하에서 본 발명을 입증하는 것이었다.
용기 재료(들) 및 용기 내부의 물을 위한 예열 온도는, 압력(600 MPa) 하에서, 크뇌르저 등에 의한 식품 공학의 저널 98(2010년) 페이지 110-119에 설명된 절차에 따라 결정되는 바와 같은, 압축 가열 특성에 따른 예측된 목표 온도(압축 가열 조건에서, 즉 가압 도중에 열 손실 없음)를 제공하는, ~94℃로 설정되었다.
물: 개별적으로, 124.5℃
PTFE: 개별적으로, 118℃
PVC: 개별적으로, 115℃
PP: 개별적으로, 123.4℃
HDPE: 개별적으로, 130.5℃
이러한 데이터로부터 확인될 수 있는 바와 같이, 외측 층(PTFE)은, 용기 내용물(물)의 압축 가열보다 작은, 최소의 압축 가열을 겪고, 중간 층(PP)은 용기 내용물의 압축 가열보다 바로 아래의 압축 가열을 보이는 반면, 물과 접촉 상태의 내측 층(HDPE)은, 용기 내용물의 압축 가열보다 큰 압축 가열을 보이며, 따라서, 재료의 단열 특성을 통해 열 손실에 대항할 수 있을 뿐만 아니라, 동시에 내부 히터로서 작용하여 추가로 압력 유지 시간 도중에 온도 손실에 대항하도록 할 수 있다.
도 6, 도 7, 및 도 8은, 개별적으로 발명 시스템 4, 발명 시스템 5, 및 발명 시스템 6에 대해, 크뇌르저 등에 의한 식품 공학 리뷰 2(2010년) 페이지 216-225에 설명된 바와 같이, 써모-에그, 압력 및 온도 안정 데이터 로거를 사용한, 용기 내의 상부, 중간 및 하부 위치에서의 프로세스 전체에 걸친 용기 내부에서 획득되는 온도 프로파일들을 도시한다. 그래프들이 그래프들의 고온 영역에서 분리될 때, 상부, 중간 및 하부의 용기 위치들이, 개별적으로 상부, 중간 및 하부의 그래프에 대응한다.
도 6에서 확인될 수 있는 바와 같이, 목표 온도는 압력 상승의 종료시에 도달되며, 그리고 온도들은, 121℃(상업적 열적 살균을 위한 목표 온도) 위에서 (상업적으로 실현 가능한 프로세스에 대해 충분한) 3분 넘는 시간 동안 유지될 수 있고; 대략 5분 후에, 중간 및 하부 위치는 약 3.5℃를 상실하며; 5분을 넘으면, 중간 및 상부 위치에서의 온도는, 상업적 살균 온도들 아래로 떨어진다. 계속되는 온도 손실은 궁극적으로, 명확한 밀도 계층화, 상부로부터 하부까지 최대 6℃의 상당한 온도 차이, 및 15분의 유지 시간의 종료시에 하부 위치에서 약 15℃의 최대 전체 온도 손실로 이어진다.
도 6은, 상업적 살균 온도들에서의 상당히 더 양호한 열의 유지를 보여준다. (94℃의 출발 온도에서) ~124℃의 목표 온도가 도달되며, 그리고 프로세스 진행 5분 후에, 1℃ 보다 적게 상부 위치에서 손실되며, 단지 약 2.5℃가 하부 및 중간 위치에서 손실되고; 여전히 상업적 살균 온도보다 높은 온도에 놓인다. 그에 뒤따라, 밀도 계층화가 일어나며 그리고 약 6℃의 상부로부터 하부로의 온도 차이가 발생하고; 가장 차가운 위치에서의 압력 유지 시간의 종료시의 전체 온도 손실은, 12℃ 초과이다. 이것이 상당한 것으로 들리지만, 내용물과 HPP 기계 사이의 온도 차이가 100℃ 초과라는 것을 기억해야만 한다. 이것은 또한, 예 2(수치 모델링 연구)와 잘 비교되며; ~4℃의 프로세스 시작에서의, 예열 온도 및 그에 따른 목표 온도의 차이를 알아야 한다.
[표 4] 5분의 유지 시간 후의 살균 온도에서의 모델과 실험의 비교(T 목표,모델 = 120.6℃; T 목표,시험 = 124.5℃).
T 초기 T 최대/상부 T 최소/하부 ΔT 상부 ΔT 하부
모델링 연구 120.6℃ 120.5℃ 118℃ 0.1℃ 2.6℃
실험적 연구 124.8℃ 124.2℃ 122.2℃ 0.6℃ 2.6℃
도 8은, 3개의 층을 갖지만 PTFE 외측 층이 PVC 층으로 교체된, 동일한 프로세스를 보여준다. 초기 온도들은, 약 92℃로 얼마간 더 낮았으며, 그에 따라, 내용물의 목표 온도 또한 122℃로 더 낮았다. 압력 유지 시간의 과정에 걸친 약간 더 높은 열 손실에도 불구하고, 유사한 거동이, 확인될 수 있다. 5분 후의 열 손실은 얼마간 더 크지만, 그럼에도 상업적 살균 온도는 5분 동안 유지될 수 있다.
이러한 예들은 추가로, 특정 적용을 위해 요구되는 프로세스 조건에 의존하여, (층들의 개수 뿐만 아니라 층 재료 양자 모두의 관점에서) 다양한 층 구조들에서 사용될 수 있는, 복층 용기 개념을 입증한다.
예 4: 표준 (저온) 고압 시스템 내에서의 상업적 저온살균 온도들에서의 고압 열적 처리에 대한 실험적 연구
시험들은, 아뷰어 사의 35L 고압 기계 내에서 수행되었다. 시스템의 온도는, 주변 온도(~18℃) 아래로 유지되었고; 진입하는 압축 유체는 ~12℃였다.
하나의 용기 시스템이, 원통형 벽 용기를 사용하여 조사되었다:
발명 시스템 7 - 3개의 층(PTFE 외측 층, PP 중간 층 및 HDPE 내측 층).
압력은 600 MPa로 설정되었고, 상업적 프로세스는 거의 5분(전형적으로 3분)을 넘지 않지만, 압력 유지 시간은 15분으로 설정되었으며; 여기서 연장된 유지 시간의 목적은 비교적 심각한 경우의 조건 하에서 본 발명을 입증하는 것이었다.
용기 재료(들) 및 용기 내부의 물을 위한 예열 온도는, 압력(600 MPa) 하에서, 크뇌르저 등에 의한 식품 공학의 저널 98(2010년) 페이지 110-119에 설명된 절차에 따라 결정되는 바와 같은, 압축 가열 특성에 따른 예측된 목표 온도(압축 가열 조건에서, 즉 가압 도중에 열 손실 없음)를 제공하는, ~94℃로 설정되었다.
물: 개별적으로, 93.7℃
PTFE: 개별적으로, 92.8℃
PP: 개별적으로, 94.6℃
HDPE: 개별적으로, 101.2℃
이러한 데이터로부터 확인될 수 있는 바와 같이, 외측 층(PTFE)은, 용기 내용물(물)의 압축 가열보다 약간 작은, 최소의 압축 가열을 겪고, 중간 층(PP)은 용기 내용물의 압축 가열보다 바로 약간 더 큰 압축 가열을 보이는 반면, 물과 접촉 상태의 내측 층(HDPE)은, 용기 내용물의 압축 가열보다 상당히 더 큰 압축 가열을 보이며, 따라서, 재료의 단열 특성을 통해 열 손실에 대항할 수 있을 뿐만 아니라, 동시에 내부 히터로서 작용하여 추가로 압력 유지 시간 도중에 온도 손실에 대항하도록 할 수 있다.
도 9는, 발명 시스템 7에 대해, 크뇌르저 등에 의한 식품 공학 리뷰 2(2010년) 페이지 216-225에 설명된 바와 같이, 써모-에그, 압력 및 온도 안정 데이터 로거를 사용한, 용기 내의 상부, 중간 및 하부 위치에서의 프로세스 전체에 걸친 용기 내부에서 획득되는 온도 프로파일들을 도시한다. 그래프들이 압력 유지 시간의 종료를 향하면서 분리될 때, 상부, 중간 및 하부의 용기 위치들이, 개별적으로 상부, 중간 및 하부의 그래프에 대응한다.
도 9에서 확인될 수 있는 바와 같이, 목표 온도는 압력 상승의 종료시에 도달되며, 그리고 온도들은, 90℃(상업적 열적 저온살균을 위한 목표 온도) 위에서 거의 15분의 전체 유지 시간 동안 유지될 수 있다. 실질적으로 무시 가능한 온도 강하가, 경제적으로 실현 가능한 3-5분의 압력 유지 시간 이내에 관찰된다. 밀도 계층화가, 상부로부터 하부로 2℃ 미만의 온도 차이 및 15분의 유지 시간의 종료시에 하부 위치에서 약 4.5℃의 최대 전체 온도 손실과 함께, 압력 유지 시간의 종료를 향하면서 어느 정도 확인될 수 있고; 이는, 약 80℃의 HPP 통에 진입하는 압력 매체와 용기 내용물 사이의 온도 차이를 고려할 때, 주목할 만 하다.
이러한 예는 추가로, 상업적 열적 저온살균 온도에 대한 복층 용기 개념을 입증한다.

Claims (25)

  1. 용기 내부에서 압력 전달 액체를 사용하는, 용기 내부에서의 재료의 고온 고압 처리를 위한 복층 용기로서,
    상기 복층 용기는, 자체의 내측면과 접촉 상태에서 상기 압력 전달 액체를 수용하기 위한 플라스틱으로 형성되는 내측 층 및, 상기 내측 층의 외측의 그리고 상기 내측 층과 상이한 플라스틱으로 형성되는, 적어도 하나의 추가 층을 포함하는 용기 벽을 구비하고,
    상기 내측 층은, 적어도 자체의 내측면과 접촉 상태의 상기 압력 전달 액체의 압축 가열 계수만큼 높은 압축 가열 계수를 구비하고, 상기 적어도 하나의 추가 층은, 주위 압력 및 온도에서 상기 내측 층보다 낮은 열 전도성을 구비하며, 그리고
    상기 용기 벽은, 원통형 측면 벽 및 상기 측면 벽 상에 밀봉되는 단부 벽을 포함하고, 상기 용기는, 용기 측면 벽과 함께 밀봉하는 둘레 에지를 구비하는 피스톤을 갖도록 제공되며, 상기 피스톤은, 상기 용기로부터 외부적으로 상기 피스톤에 가해지는 압력의 변화에 응답하여, 상기 용기 측면 벽 내부에서 이동 가능한 것인, 복층 용기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 내측 층의 외측의 상기 적어도 하나의 추가 층은, 25 ℃에서, 0.33 W·m-1K-1 이하의 열 전도성을 갖는 것인, 복층 용기.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 내측 층의 외측의 상기 적어도 하나의 용기 층은, 상기 내측 층보다 낮은 압축성을 갖는 것인, 복층 용기.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 내측 층은, 주위 온도 및 압력에서, 적어도 6 x 10-11Pa-1의 압축 가열 계수를 갖는 것인, 복층 용기.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 내측 층의 외측의 상기 적어도 하나의 층의 압축성은, 2.5 x 10-10 Pa-1 이하인 것인, 복층 용기.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 내측 층의 외측의 상기 적어도 하나의 층은, 폴리에스테르, 나일론, 폴리카보네이트, 천연 고무, 합성 고무, 열가소성 탄성중합체들, 폴리메틸메타크릴레이트, 염소화 폴리올레핀들, 폴리이미드들 및 아크릴릭스로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 플라스틱으로 형성되는 것인, 복층 용기.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 내측 층은, 폴리에틸렌으로 형성되는 것인, 복층 용기.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 내측 층의 외측의 상기 적어도 하나의 층은, 폴리프로필렌, PTFE, PMMA, PVC, PEEK, PET, PI 및 PVDF로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 것인, 복층 용기.
  9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 추가 층은, 내측 층에 인접한 중간 층 및 상기 중간 층의 외측의 추가 층을 포함하고, 중간 층은, 상기 내측 층보다 더 낮은 그리고 상기 중간 층의 외측의 적어도 하나의 층보다 더 높은, 열 전도성, 압축성 및 압축 가열 계수를 갖는 것인, 복층 용기.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 내측 층은 HDPE로 형성되고, 추가 층은, PTFE, PMMA, PVC, PEEK, PET, PI 및 PVDF로 이루어지는 그룹으로부터 선택되며, 그리고 중간 층은 폴리프로필렌 또는 ABS로 형성되는 것인, 복층 용기.
  11. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    층들은 연속적인 것인, 복층 용기.
  12. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 내측 층 및 추가 층들은 각각, 1mm 내지 50 mm의 범위 이내의 두께인 것인, 복층 용기.
  13. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    처리될 재료는, 음식 재료이며, 그리고 압력 전달 액체는 수용성 매체인 것인, 복층 용기.
  14. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    용기 내부에서의 또는 용기 외부로부터의 가열이 존재하지 않는 것인, 복층 용기.
  15. 재료의 고압 열적 처리를 위한 시스템으로서,
    제 1항 또는 제 2항에 따른 용기, 상기 용기 내부의 상기 재료 및 압력 전달 액체를 포함하는 것인, 재료의 고압 열적 처리를 위한 시스템.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 용기는, 상기 압력 전달 액체에 고압을 가하기 위한 압력 챔버 내부에 수용되는 것인, 재료의 고압 열적 처리를 위한 시스템.
  17. 제 16항에 있어서,
    압력 챔버는, 액체 가압 매체로서, 상기 용기의 내측면에 대해 밀봉하며 그리고 상기 압력 전달 액체에 압력을 전달하기 위해 상기 가압 매체에 의해 가해지는 압력에 응답하는, 피스톤에 의해 상기 용기 내부의 상기 압력 전달 액체와 분리되는 것인, 액체 가압 매체를 수용하는 것인, 재료의 고압 열적 처리를 위한 시스템.
  18. 재료의 고압 열적 처리를 위한 프로세스로서,
    (i) 제 1항 또는 제 2항에 따른 복층 용기를 제공하는 단계;
    (ii) 압력 전달 액체를 제공하는 단계;
    (iii) 상기 복층 용기, 압력 전달 액체 및 재료를 예열하는 단계;
    (iv) 상기 용기 내부에 처리될 상기 재료를 배치하며 그리고, 상기 재료에 압력을 가하기 위해 상기 재료와 연관되게 상기 용기 내부에 상기 압력 전달 액체를 제공하는 단계; 및
    (v) 상기 용기 내부의 상기 압력 전달 액체에 압력을 가하는 단계
    를 포함하고,
    내측 층은, 상기 압력 전달 액체에 압축 가열을 제공하며 그리고 적어도 하나의 추가 층은, 상기 용기로부터의 열 손실을 감소시키는 것인, 재료의 고압 열적 처리를 위한 프로세스.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 복층 용기, 압력 전달 액체 및 재료는, 40℃ 내지 150℃의 범위 이내의 (압력 하에서의) 프로세스 온도를 생성할 온도로 예열되며, 그리고 가해지는 압력은, 100 내지 1000 MPa의 범위 이내인 것인, 재료의 고압 열적 처리를 위한 프로세스.
  20. 제 18항에 있어서,
    상기 복층 용기, 압력 전달 액체 및 재료는, 50℃ 내지 130℃의 범위 이내의 압축 가열 이후의 프로세스 온도를 생성할 온도로 예열되며, 그리고 가해지는 압력은, 300 MPa 내지 800 MPa의 범위 이내인 것인, 재료의 고압 열적 처리를 위한 프로세스.
  21. 제 18항에 있어서,
    압력은, 1초 내지 30분의 범위 내의 기간 동안의 범위에서 유지되는 것인, 재료의 고압 열적 처리를 위한 프로세스.
  22. 제 21항에 있어서,
    압력은, 30초 내지 5분의 범위 내에서 유지되는 것인, 재료의 고압 열적 처리를 위한 프로세스.
  23. 제 18항에 있어서,
    상기 압력 전달 액체 및 재료의 온도는, 가압 이후에, 압축 가열의 결과로서, 압력의 적용 도중에, 목표/프로세스 온도보다 5℃ 이상 낮은 온도에서 유지되는 것인, 재료의 고압 열적 처리를 위한 프로세스.
  24. 제 18항에 있어서,
    상기 재료는 음식 재료이며, 그리고 상기 압력 전달 액체는 수용성 매체인 것인, 재료의 고압 열적 처리를 위한 프로세스.
  25. 삭제
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