KR20010013720A - 비전리 전자기 방사를 이용한 재료의 선택적 가열 - Google Patents

Abstract

재료의 선택적 가열을 위한 방법 및 그 장치는 고강도 펄스, 비전리 전자기 방사를 상기 재료에 노출시키는 것에 근거를 둔다. 상기 방법은 미생물을 파괴시키고, 포장 용기를 살균시키고 또는 축축한 식품을 살균시킬 수 있다. 포장하기 전에 개구 재료를 살균시키기 위해 적어도 1KW의 평균 파워를 가지고 0.1초 미만의 펄스 지속시간에 의한 마이크로웨이브 방사의 실시예에 관한 것이다.

Description

비전리 전자기 방사를 이용한 재료의 선택적 가열{Preferential heating of material by use of non-ionising electrmagnetic radiation}

이러한 본 발명의 이용으로 수많은 응용이 가능하다.

예를 들어, 살균 약제, 제약용 포장 용기 그리고 외과 용품 및 다른 도구와 같은 의학 산업에 응용할 수 있다.

특히, 관심을 끄는 응용분야는 식품 처리 산업이다.

"식품 처리 산업"이라는 용어는 고형 및 액상 식품을 포함하여 제품을 가공 및 포장하는 식품 제품에 관련된 산업까지 포함한다.

식품 처리 산업의 중요한 요구조건은 다음과 같다.

(1) 식품 제품이 포장된 후 식품 제품을 살균시킬 것.

(2) 살균 조건 하에서 식품 제품을 가공하고 포장할 것.

첫 번째 범주의 한 예로 마실 것을 저온 살균 처리하는 맥주와 같은 마실 것을 포장하는 광범위하게 이용된 방법을 들 수 있다. 일반적으로 금속 또는 유리 용기와 같은 적당한 포장 용기에 마실 것을 채우고, 상기 포장 용기를 밀봉하되, 상기 포장된 마실 것은 15분 동안 65 ∼ 70℃의 온도에서 가열된다. 효과적이긴 하지만, 상기 방법은 막대한 자금과 운용 비용을 포함한 수많은 단점을 가지고 있다.

첫 번째 범주의 또다른 예로 향신료를 살균시키는 잘 알려진 방법이 있다. 일반적으로 적당한 포장 용기에 향신료를 채우고, 상기 포장 용기는 밀봉되며, 그 후에 높은 압력에서 포장용기를 통해 에틸렌옥사이드를 침투시켜 향신료에 있는 미생물을 파괴시킨다. 에틸렌옥사이드는 세균 포자 및 상기 향신료에 의해 운반된 미생물을 파괴시키는 효과적인 수단이긴 하지만, 그것은 일종의 독(toxic)이므로 잔여 에틸렌옥사이드를 낮은 수준으로 제거시키는 것이 중요하게 된다. 필수불가결하게, 여기에는 상기 방법의 주의깊은 제어가 필요하지만 그 방법의 운용 비용이 증가된다.

두 번째 범주의 예는 무균 조건 하에서 마실 것을 포장하는 것이다. 통상적으로 마실 것은 가공되어 무균 조건 하에서 채움 장비로 이송되어 상기 채움 장비가 무균 조건으로 유지되고, 포장 용기가 살균 처리되어 무균 조건 하에서 채움 장비로 이송되고, 상기 포장 용기에 마실 것이 채워지며, 또한 상기 포장 용기가 무균 조건 하에서 밀봉된다.

식품 제품의 무균 포장 용기의 중요한 요소는 포장 용기의 살균이다.

식품 처리 산업에서 포장 용기를 살균시키기 위한 공지된 기술은 다음과 같은 것을 포함한다.

(1) 과산화 수소와 염소와 같은 화학적 살균

(2) 자외선 방사

(3) 감마(gamma) 방사

(4) 증기 살균

상기 포장 용기, 식품 제품 및 식품 가공에 따라 어느 주어진 상황에서 이러한 기술의 선택 및 적합성에는 장점 및 단점이 있다.

본 발명은 비전리 전자기 방사에 의한 재료의 선택적 가열에 관한 것이다.

"비전리 전자기 방사"라는 용어는 예를 들어 마이크로웨이브 방사와 전파 방사를 포함한다.

비록 본 발명의 독점적 이용은 아니지만, 하나의 특징은 미생물을 파괴하는 온도로 미생물을 선택적으로 가열시키는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 비전리 전자기 방사를 이용한 재료의 선택적 가열 장치의 구성도이다.

본 발명의 특별한 목적은 식품 처리 산업용 포장 용기를 살균시키기 위한 공지된 기술에 대한 대안을 제공하는 것이다.

본 발명의 보다 일반적인 목적은 식품 처리 산업 및 다른 산업에서 공지된 살균 기술에 대한 대안을 제공하는 것이다.

본 발명에서는 재료에 고강도 펄스, 비전리 전자기 방사를 노출시키는 것으로 이루어진 재료의 선택적 가열 방법이 제공된다.

본 발명은 고강도 펄스, 비전리 마이크로웨이브 방사로 수행된 실험에 근거를 둔다.

고강도 펄스 마이크로웨이브 방사가 미생물을 파괴시키는 특히 효과적 수단임이 실험에서 발견되었다. 상기 고강도 펄스 마이크로웨이브 방사가 상기 미생물을 파괴시킨 미생물의 갑작스런 온도 증가로 귀결된 미생물에서 에너지의 상당한 증가를 야기시킨다고 생각된다.

또한, 고강도 펄스 마이크로웨이브 방사가 실질적으로 주변 환경을 가열하지 않고 상기 방사에 노출된 미생물만을 파괴시킬 수 있다는 것이 발견되었다.

이러한 미생물의 선택적 가열에 중요한 파라미터는 고강도 펄스 에너지, 주변 환경의 마이크로웨이브 흡수도 및 방사에 노출된 미생물의 크기를 포함한다. 세 번째 요인과 관련하여, 통상적으로 재료에 축적된 열량은 상기 재료를 이루는 물체의 더 큰 크기에 따라 느려지게 된다. 일반적으로, 두 물체의 크기가 같으면 그 물체의 상대적인 흡수도가 선택적 가열의 크기를 결정하고, 두 물체의 흡수도가 같다면 그 물체의 상대적 크기가 선택적 가열의 크기를 결정한다.

식품 처리 산업의 배경에서, 마이크로웨이브와 같은 비전리 전자기 방사에 의한 선택적 가열은 포장 용기의 화학적 또는 다른 특성을 변경시키는 포장 용기의 실질적 가열을 야기시키지 않으면서 상기 포장 용기에 있는 미생물을 파괴시켜 포장 용기를 살균시키는 것을 가능하게 한다

또한, 식품 처리 산업의 배경에서, 비전리 전자기 방사에 의한 선택적 가열은 식품이 포장되기 전 또는 후에 축축한 식품를 살균시키는 것을 가능하게 된다. 이러한 배경에서, 윗공간을 살균하기 위해 밀봉된 마실 것 용기 및 잼 단지의 윗공간 상에 고강도 펄스, 비전리 전자기 방사를 집중시키는 것은 본 발명의 영역 내에 있다.

"축축한 식품"이라는 용어는 1 미만의 수분활성도(즉, 물의 증기압에 대한 식품에 있는 물의 증기압의 비)를 가지는 것을 포함하는 것이다.

또한, 식품 처리 산업의 배경에서, 본 발명은 포장되어지는 식품 제품이 축축한 상황에 국한되는 것은 아니다.

미생물의 효과적인 파괴를 달성하기 위해 비전리 전자기 방사의 특성(예를 들어, 파워, 강도 및 파장)과 펄스를 정의하는 파라미터(예를 들어, 펄스 지속시간, 펄스 주파수, 펄스 윤곽(profile), 듀티사이클 및 평균 파워)의 선택에 있어서 상당한 융통성이 있다. 상기 융통성 중 중요한 것은 특별한 식품 제품 및 포장 용기의 특성에 적합한 고강도 펄스, 비전리 전자기 방사에 대한 동작 파라미터를 선택할 수 있다는 것이다.

상기 펄스의 강도/시간 펄스 열(train)은 어느 적당한 윤곽일 수도 있다.

바람직하기로는 상기 펄스 지속시간은 1초 미만이다.

더 바람직하기로는 상기 펄스 지속시간은 0.1초 미만이다.

또한, 더욱 바람직하기로는 상기 펄스 지속시간은 0.01초 미만이다.

일반적으로 포장 재료와 같은 건조 재료의 실질적 가열을 야기시키는 불완전한 노출이 있도록 상기 펄스 지속시간이 선택되어지는 것이 바람직하다.

바람직하게는 상기 마이크로웨이브의 평균 파워는 적어도 1KW이다.

더 바람직하게는 상기 평균 파워는 적어도 5KW이다.

"평균 파워"라는 용어는 최대 파워 및 듀티사이클의 곱을 의미한다.

"평균 파워"라는 용어는 최대 펄스 파워를 의미한다.

"듀티사이클"의 의미는 펄스 시간 경간(span)과 펄스 사이의 시간의 합을 하나의 펄스 시간 경간으로 나눈 값을 뜻한다.

바람직하게는 상기 방사의 최대 파워는 3KW이다.

더 바람직하게는 최대 파워는 30KW이다.

본 발명에 따르면, 고강도 펄스, 비전리 전자기 방사를 발생시키기 위한 수단으로 이루어진재료를 선택적으로 가열시키기 위한 장치가 제공된다.

바람직하게는 상기 장치는 재료 속으로 방사를 향하게 하기 위한 수단으로 이루어진다.

더 바람직하게는 상기 방향 수단은 상기 방사를 집중시키기 위한 수단으로 이루어진다.

상기에 상술되었듯이, 결코 독점적이지는 않지만 본 발명의 바람직한 응용은 선택적 가열에 의해 미생물을 파괴시키는 것이다.

이러한 응용에서, 상기 장치는 고강도 펄스, 마이크로웨이브 방사를 살균 영역으로 향하게 하기 위한 수단으로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 살균 영역은 살균 환경으로 요구되는 어떠한 영역이라도 상관없다.

예를 들면, 상기 살균 영역은 식품 제품용 빈 포장 용기를 살균시키기 위한 용기(chamber)이다.

이러한 예에서, 상기 장치는 용기 속으로 및 용기 밖으로 빈 포장 용기를 이동시키기 위한 컨베이어 벨트와 같은 운송 수단으로 이루어지고, 그 용기에서 상기 포장 용기는 고강도 펄스, 비전리 방사에 노출되어진다.

본 발명은 식품 제품으로 채워지고 밀봉된 포장 용기에 앞서 식품 처리 산업용 포장 용기를 살균시키기 위한 장치의 바람직한 실시예의 개략도인 첨부도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.

상기에 언급된대로, 본 발명은 결코 독점적이지는 않지만, 특히 미생물을 파괴시키기 위해 마이크로웨이브 방사와 같은 고강도 펄스, 비전리 전자기 방사의 이용에 대한 것이다.

식품 처리 산업용 채워지지 않고 열린 포장 용기를 살균시키는 것과 관련하여 다음 도면은 그 예이다.

도면과 관련하여, 교류 전류가 변압기를 포함한 직류 전원장치, 바람직한 강도 듀티사이클을 발생시키기 위한 펄스 회로 또는 스위치에 공급된다. 상기 교류 전류는 60Hz 교류, 600Hz 교류, 3상 교류 및 단상 교류와 같은 어떠한 적당한 전원으로부터 공급된다.

상기 펄스는 규정된 듀티사이클에서 고강도 마이크로웨이브 방사의 펄스를 발생시키는 마그네트론과 같은 마이크로웨이브 능동 장치로 공급된다.

상기 고강도 펄스 마이크로웨이브 방사는 도파관(wave guide)을 경유하여 처리 용기 또는 터널의 어플리케이터(applicator) 속으로 전달된다.

처리 용기 또는 터널의 바람직한 형태에서, 개방된 금속 캔과 같은 포장 용기는 수직 위치로 용기 또는 터널을 통해 상기 포장 용기를 전달하는 컨베이어 벨트 상에 배열된다.

그 결과, 상기 포장 용기는 미생물을 파괴시키는 온도로 포장 용기 상에 있는 미생물을 가열시키는 고강도 펄스, 마이크로웨이브 방사의 수많은 펄스에 노출된다.

이러한 관계에서, 금속이 마이크로웨이브를 반사시키므로 상기 포장 용기가 금속 캔인 경우에 어플리케이터와 캔의 상대적인 위치가 고강도 펄스, 마이크로웨이브 방사가 개방된 단부를 통해 캔의 내부로 향하도록 선택되는 것이 중요하다.

도면에 나타낸 본 발명의 바람직한 실시예는 살균을 위한 화학적 살균, 자외선 방사, 감마 방사 및 증기 살균의 공지 기술보다 뛰어난 장점을 갖는다. 예를 들면, 자금과 운용 비용이 공지 기술보다 비교적 낮다. 게다가, 화학적 살균에서의 문제, 특히 과산화 수소와 같은 화학약품이 독성이 있을 때에 상기 포장 용기 상에 잔여 화학 약품을 남기지 않게 된다. 또한, 비전리 전자기 방사의 이용은 자외선 방사 및 감마 방사에서의 문제인 포장 용기의 화학적 변화를 피할 수 있게 한다. 예를 들어, 증기 살균에서의 문제인 포장 용기의 화학적 특성을 변경시킬 수 있는 포장 용기에서 열을 발생시키지 않고 미생물을 파괴시키는 것이 가능하다.

게다가, 고강도 마이크로웨이브 방사의 침투력은 자외선 방사의 문제인 비금속 포장 용기의 영역이 노출을 피하지 못할 것이라는 높은 확신을 가진다는 것이다. 또한, 상기 바람직한 실시예는 고속 살균에 적합하고, 식품 처리 산업에서 종종 발견되는 고 처리에 적합한 것이다.

상기 바람직한 실시예의 장점은 또한 통상적으로 식품 처리 산업 및 다른 응용에서의 다른 상황에서 고강도 펄스, 마이크로웨이브 방사의 이용에 응용이 가능하다.

일련의 실시예에서, 8KW 직류 파워는 수초의 긴 펄스와 펄스 사이에서 0.025초로 25%의 듀티사이클에서 3KW의 펄스 마이크로웨이브 출력을 발생시킨 펄스 스위치에 공급된다.

상기 펄스 마이크로웨이브 출력은 2.46GHz의 S-밴드 마그네트론 동작에 의해 발생된다.

상기 마이크로웨이브는 50마이크론 두께의 마이크로웨이브 투과 플라스틱 필름의 효모 포자 상에 집중된다. 상기 효모 포자의 밀도는 10과 1010/cm2 사이로 추정된다. 상기 효모 포자는 총 시간 2 ∼ 5초 동안 노출된다.

상기 결과의 양적인 평가에 의해 상기 포자가 전적으로 파괴되고 지지 기판의 최소 가열이 라고 추정된다. 본 발명은 재료 상에 최소 열적 효과로 포장 용기 재료와 같은 재료의 표면을 살균시키는 것이라는 것이 실험에서 입증되었다.

본 발명의 영역을 벗어나지 않고 상기에 상술한 바람직한 실시예에 많은 변형이 가능할 것이다.

예를 들어, 도면과 관련하여 상술된 바람직한 실시예가 펄스 스위치를 포함하는 한편, 본 발명이 상기 설명에 국한되지 않고 어떠한 다른 적당한 펄스 네트워크로 용이하게 확장된다.

게다가, 상기 바람직한 실시예는 마그네트론을 포함하는 한편, 본 발명은 상기 설명에 국한되지 않고 마이크로웨이브를 발생시키기 위한 다른 적당한 수단으로 확장된다. 가능한 대안으로는 고체장치, 클라이스토론 및 자이러트론을 포함한다.

본 발명의 이용으로 수많은 응용이 가능하다.

예를 들어, 살균 약제, 제약용 포장 용기 그리고 외과 용품 및 다른 도구와 같은 의학 산업에 응용할 수 있다.

특히, 관심을 끄는 응용분야는 식품 처리 산업이다.

"식품 처리 산업"이라는 용어는 고형 및 액상 식품을 포함하여 제품을 가공 및 포장하는 식품 제품에 관련된 산업까지 포함한다.

Claims (11)

1. 재료에 고강도 펄스, 비전리 전자기 방사를 노출시키는 것으로 이루어진 것을 특징으로 하는 재료의 선택적 가열 방법.
2. 상기 방사에 노출되는 주변 환경의 실제적인 가열 없이 미생물을 파괴시키는 고강도 펄스, 비전리 전자기 방사를 미생물에 노출시키는 것으로 이루어진 것을 특징으로 하는 미생물을 파괴시키는 방법.
3. 포장 용기의 화학적 또는 다른 특성을 변경시키는 포장 용기의 가열을 야기시키지 않고 미생물을 파괴시키는 고강도 펄스, 비전리 전자기 방사를 포장 용기에 노출시키는 것으로 이루어진 것을 특징으로 하는 포장 용기를 살균시키는 방법.
4. 포장 용기의 화학적 또는 다른 특성을 변경시키는 포장 용기의 가열을 야기시키지 않고 미생물을 파괴시키는 고강도 펄스, 비전리 전자기 방사를 포장 용기에 노출시키는 것으로 이루어진 것을 특징으로 하는 식품이 포장되기 전 또는 후 축축한 식품을 살균시키는 방법.
5. 제 1항에서 제 4항 중 어느 한 항에 의해 정의된 방법에 있어서, 각 펄스 방사의 지속시간은 0.1초 미만이다.
6. 제 1항에서 제 4항 중 어느 한 항에 의해 정의된 방법에 있어서, 상기 방사의 평균 파워가 적어도 1KW이다.
7. 제 1항에서 제 4항 중 어느 한 항에 의해 정의된 방법에 있어서, 상기 방사의 최대 파워가 30KW이다.
8. 제 1항에서 제 4항 중 어느 한 항에 의해 정의된 방법에 있어서, 상기 방사는 마이크로웨이브 방사이다.
9. 고강도 펄스, 비전리 전자기 방사를 발생시키기 위한 수단으로 이루어진 것을 특징으로 하는 재료를 선택적으로 가열시키기 위한 장치.
10. 제 9항에 의해 정의된 장치에 있어서, 상기 방사를 재료 속으로 향하게 하기 위한 수단으로 이루어진다.
11. 제 10항에 의해 정의된 장치에 있어서, 상기 방향 수단은 방사를 집중시키기 위한 수단으로 이루어진다.