KR20150053507A - 농산물 포장에서 통기구의 시간주기에 따른 개폐 장치 및 방법 - Google Patents

농산물 포장에서 통기구의 시간주기에 따른 개폐 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 농산물 용기와 포장에서 통기구의 시간주기에 따른 개폐 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플라스틱이나 금속으로 된 신선 농산물 용기나 포장에 원호 모양의 홈으로 구성된 통기구를 장착시키고, 그 위에 밀착된 조건으로 회전자를 회전시켜 시간 주기에 따라서 통기구의 개폐정도를 조절하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
이에 본 발명은 설계변수로서 원호 모양 통기구의 크기와 두께(단면 높이), 고정부 통기구와 회전자 통기부 사이의 면적비율, 그리고 회전자의 회전주기 등을 조절함에 따라 통기의 정도를 시간의존적으로 제어시킬 수 있으며, 이들 설계변수는 담겨진 농산물의 호흡속도에 따라서 적절히 선택할 수 있도록 함으로써, 농산물의 유통 및 저장에서 낮은 비용으로 농산물의 신선도를 유지시킬 수 있을 뿐만 아니라, 재사용이 가능한 친환경적 용기를 제공할 수 있는 매우 유용한 발명인 것이다.

Description

농산물 용기와 포장에서 통기구의 시간주기에 따른 개폐 장치 및 방법{Apparatus and method to achieve timely-programmed open/close cycle of the perforation channel in the fresh produce container and package}
본 발명은 플라스틱이나 금속으로 된 신선 농산물 용기나 포장 내에 바람직한 산소 농도와 이산화탄소 농도를 유지할 수 있도록 제작된 농산물 용기와 포장에서 통기구의 시간주기에 따른 개폐 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 신선 과일과 채소에 대한 시장 수요가 증가하면서, 농산물을 신선한 상태로 오랜 유통기한 동안 소비자에게 공급하는 것이 중요한 과제로 부각되고 있다.
저온의 유통조건에서 포장이나 용기 내에 적정 범위의 낮은 산소 농도와 높은 이산화탄소 농도를 형성시키면, 호흡이 억제되고 연화 등의 생리적 변화가 지연되어 농산물의 장기간 신선도 유지가 가능하다.
용기 내에서 공기조성으로부터의 기체변형은 담겨진 농산물의 호흡작용과 용기 벽면을 통한 기체(산소, 이산화탄소) 이동의 상호작용에 의하여 이루어진다. 이런 변형기체(modified atmosphere, MA)를 얻는 용기 포장은 호흡특성에 맞는 기체이동특성을 가져야 하는데, 이는 적절한 기체 투과도를 갖는 플라스틱 필름 봉지나 트레이를 사용하게 된다.
흔하게 사용될 수 있는 플라스틱 소재는 호흡에 맞는 기체투과도를 갖는 경우가 드물기 때문에 적정 기체조성을 얻는 데에는 제한이 있다. 즉, 대부분의 플라스틱의 기체투과도가 충분히 높지 못하기 때문에 포장에 넓은 통기구를 뚫어 두기도 하는데, 많은 경우는 기체이동이 너무 높아 기체변형이 충분히 이루어지지 못한다.
이에 대한 보완책으로서 크기 30~300 μm의 미세한 통기공을 뚫어 줘서 적정 변형기체(MA)를 얻기도 한다. 이러한 원리를 사용하여 적정 직경과 길이의 통기구를 재사용이 가능한 플라스틱 혹은 금속 용기에 장착하고 시간주기에 따라 개폐하면 바람직한 변형기체(MA) 조건을 유지할 수 있으며, 이는 기 출원된 특허출원번호 10-2012-0124943(특허명: 저장용기의 시간제어식 통기구 개폐를 통한 농산물의 신선도 유지 장치 및 방법)에서 확인할 수 있다. 즉, 담겨진 농산물의 특성과 양에 따라 통기구의 적정 개폐시간비율을 제어함에 따라 원하는 MA 조성을 유지할 수 있게 된다.
본 발명은 기 출원된 특허(출원번호: 10-2012-0124943)의 확장된 개념으로서 보다 간단한 장치에 의해서, 요구되는 개폐시간비율을 주기적으로 제어하는 장치와 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 상기와 같이 기 출원된 특허(출원번호: 10-2012-0124943)를 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 플라스틱이나 금속으로 된 신선 농산물 용기나 포장에 원호 모양의 홈으로 구성된 통기구를 장착시키고, 시간 주기에 따라서 통기구의 개폐정도를 조절함으로써, 용기나 포장 내에 바람직한 산소 농도와 이산화탄소 농도를 유지할 수 있도록 제작된 농산물 용기와 포장에서 통기구의 시간주기에 따른 개폐 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 농산물 용기와 포장에서 통기구의 시간주기에 따른 개폐 장치는 개폐장치가 구비된 용기에 있어서, 상기 용기는 용기 본체와 용기 뚜껑으로 구성되고, 상기 용기 본체 또는 용기 뚜껑에는 원호 모양의 일부가 뚫린 홈을 가지는 고정부 통기구가 구비되며, 상기 고정부 통기구와 밀착되어 주기적으로 회전하는 원형 모양의 회전자가 구성되되, 상기 회전자에는 상기 고정부 통기구와 대응되며 원호 모양의 일부가 뚫린 홈을 가지는 회전자 통기구가 구비되고, 회전모터가 회전자의 중심축에 설치되며 회전모터의 회전 운동에 따라 회전자 통기구의 위치가 이동되므로 상기 고정부 통기구의 개방과 밀폐가 주기적으로 반복되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 회전자는 용기의 외측 또는 내측에 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 회전자의 전체 직경은 4~10 cm의 범위이고, 회전자에 구비된 회전자 통기구의 원호 직경은 3~9 cm 범위이며, 회전자의 두께는 0.1~2 cm의 범위를 가지고, 원호 개방비율은 0.01~0.6(1~60%)의 범위에 있고, 상기 회전자 통기구의 간극은 0.3~2.0 cm의 범위를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 고정부 통기구는 원호 직경에서는 회전자 통기구와 같되, 그 간극은 회전자 통기구 값의 90~110% 범위에 있으며, 원호는 0~0.5(0~50%)의 추가개방비율을 가질 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 회전자의 회전주기는 1~48 시간의 범위를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 관점으로, 농산물 용기와 포장에서 통기구의 시간주기에 따른 개폐 방법은 용기에 원호 모양의 일부가 뚫린 홈을 가지는 고정부 통기구가 구비되고, 상기 고정부 통기구와 밀착되어 주기적으로 회전하는 원형 모양의 회전자가 구비되며, 상기 회전자에는 상기 고정부 통기구와 대응되며 원호 모양의 일부가 뚫린 홈을 가지는 회전자 통기구가 구비되며, 회전모터가 회전자의 중심축에 설치되어 회전모터의 회전 운동에 따라 회전자 통기구의 위치가 이동되므로 상기 고정부 통기구의 개방과 밀폐가 주기적으로 반복되어 용기 내부의 산소 및 이산화탄소의 물질수지를 조절할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 용기 내부의 산소 및 이산화탄소의 물질수지는 하기 수학식 1 및 수학식 2의 미분방정식으로 표현하여 농산물 용기 보관 조건에 적용시키는 것을 특징으로 한다.
[수학식 1]
Figure pat00001
[수학식 2]
Figure pat00002
상기 수학식 1 및 수학식 2에서, p는 기체의 분압(atm)으로서 통상 압력조건에서 100을 곱하면 % 농도, t는 시간(h), V는 용기 부피(m3), D는 기체의 확산도 (m2/h), L은 통기구에서 기체확산의 경로길이로서 회전자 통기구와 고정부 통기구가 겹쳐져서 형성하는 깊이(m), B는 용기 본체 벽면의 두께(mm), A는 통기구 원호 개방비율에 해당되는 통기구 기본 면적단위로서 회전자 통기구의 면적(m2),
Figure pat00003
는 용기 본체 벽면의 기체투과도(mol mm m-2 h-1 atm-1), W는 농산물 무게(kg), R는 기체상수(8.314 J K-1 mol-1), RO2는 산소 소비의 호흡속도 (mol kg-1 h-1), RCO2는 이산화탄소 발생의 호흡속도(mol kg-1 h-1), T는 절대온도(K)이고, D, p,
Figure pat00004
에 대한 하첨자로서 O2와 CO2 는 각각 산소와 이산화탄소를 나타낸다. Np는 회전자 통기구(132)의 회전에 따라서 실제로 얻어지는 고정부 통기구(122) 개방영역의 비율로서 0~1의 값이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 농산물 용기에 원호 모양 홈의 통기구를 만들고 이에 대응되는 홈을 가진 회전자를 회전시켜 홈의 일치와 엇갈림을 통하여 통기구의 시간주기적 개폐 사이클을 얻어서 외부와의 기체 이동을 제어하고 용기 내에 적정 산소 및 이산화탄소 농도를 얻을 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 설계변수로서 원호 모양 통기구의 크기와 두께(단면 높이), 고정부 통기구와 회전자 통기부 사이의 면적비율, 그리고 회전자의 회전주기 등을 조절함에 따라 통기의 정도를 시간의존적으로 제어시킬 수 있으며, 이들 설계변수는 담겨진 농산물의 호흡속도에 따라서 적절히 선택할 수 있도록 함으로써, 농산물의 유통 및 저장에서 낮은 비용으로 농산물의 신선도를 유지시킬 수 있을 뿐만 아니라, 재사용이 가능한 친환경적 용기를 제공할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 농산물 용기에 적용된 회전형 시간주기 개폐 통기구의 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 회전형 시간주기 개폐 통기구에서 고정부와 회전자를 해체분리하여 나타낸 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 통기구 개폐의 한 주기를 나타낸 예시도이다.
도 4는 본 발명의 1 실시예에 따른 큰느타리 버섯 용기 내부의 기체조성 상태를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 2 실시예에 따른 큰느타리 버섯 용기 내부의 예측된 기체조성 상태를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 3 실시예에 따른 큰느타리 버섯 용기 내부의 예측된 기체조성 상태를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 4 실시예에 따른 팽이버섯 용기 내부의 측정 기체조성과 예측된 기체조성을 비교한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 5 실시예를 10℃에서 팽이버섯에 적용하여 얻어진 기체조성을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 농산물 용기에 적용된 회전형 시간주기 개폐 통기구의 개념도이고, 도 2는 본 발명에 따른 회전형 시간주기 개폐 통기구에서 고정부와 회전자를 해체분리하여 나타낸 평면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 통기구 개폐의 한 주기를 나타낸 예시도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명은 본 출원인에 의해 기 출원된 특허(출원번호: 10-2012-0124943)를 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 플라스틱이나 금속으로 된 신선 농산물 용기나 포장 내에 바람직한 산소 농도와 이산화탄소 농도를 유지할 수 있도록 된 농산물 용기와 포장에서 통기구의 시간주기에 따른 개폐 장치 및 방법을 제공한다.
도 1은 본 발명의 개념을 나타낸 것으로, 개폐장치가 구비된 용기(100)는 예를 들어 5~50 L 용량의 플라스틱이나 금속 재질로 구성되며, 과일이나 채소 등의 농산물 0.02~40 kg을 그대로 혹은 포장된 낱개단위로 담을 수 있는 용기 본체(110)와 용기 뚜껑(120)을 닫으면서 기밀성을 유지하는 구조로 이루어진다.
용기 뚜껑(120)에 고정부 통기구(122)로서 원호 모양의 일부를 뚫은 홈 부분을 가지며, 그 위에 밀착되어 주기적으로 회전하는 원형 모양의 회전자(130)를 갖는다.
회전자(130)는 용기 뚜껑(120)에 구비된 고정부 통기구(122)와 대응되는 원호 모양의 일부를 뚫은 홈 부분을 가지는 회전자 통기구(132)가 구비되고, 도 1에 도시된 바와 같이 용기 뚜껑(120)의 바깥면에 위치하였지만, 필요시 용기 안쪽면에 위치시킬 수도 있다.
고정부 통기구(122)와 회전자 통기구(132)의 원호는 통상적으로 동일한 간극을 갖지만 필요에 따라서 다른 간극을 가질 수도 있다. 회전자(130)를 회전시키는 회전모터(140)는 회전자의 중심축에 설치되고, 스프링 태엽이나 건전지 등에 의하여 구동될 수 있으며, 회전모터(140)를 포함한 회전자(130)는 도시되지 않은 고정장치에 의하여 용기에 부착 고정된다.
회전자(130)가 주기적으로 회전되면서 회전자 통기구(132)가 고정부 통기구(122)와 일치되는 시점부터 밀폐되는 시점까지 개방된 통기구 부분을 통하여 용기(100) 내외부 사이의 기체 확산이 이루어진다.
고정부 통기구(122) 부분에서의 일치 조건 이외의 시간에서는 기체이동을 억제하기 위하여 회전자(130)는 고정부 통기구(122)에 밀착되어 가급적 기밀성이 유지되는 조건으로 회전하게 된다.
고정부 통기구(132)는 통상적으로 용기 뚜껑(120)에 장착되지만 필요한 경우 용기 본체(110)의 측면벽에 위치될 수도 있다.
회전자(130)의 직경과 회전자 통기구(132) 원호의 직경은 예를 들어 1~2 cm 정도 차이가 있을 수 있다. 회전자(130)의 회전운동에 따라 회전자 통기구(132)의 위치가 이동되므로 상기 고정부 통기구(122)의 개방과 밀폐를 주기적으로 반복하게 되는데, 밀폐 시에는 용기 내 농산물의 호흡에 의하여 내부의 산소농도가 낮아지고 이산화탄소 농도는 증가되며, 개방 시에는 고정부 통기구(122)를 통한 기체확산에 의해 산소의 용기(100) 내부로의 유입과 이산화탄소의 외부로의 유출이 이루어지고, 이 과정의 반복을 통하여 용기(100) 내부의 산소 농도와 이산화탄소 농도를 바람직한 일정 수준 범위로 유지시킬 수 있다.
설치 및 운전 조건의 제어변수로는 도 2에 도시된 바와 같이 고정부 통기구(122) 원호 직경과 두께(단면 높이), 고정부 통기구(122)의 간극과 추가개방비율, 회전자 통기구(132)의 원호 개방비율, 회전자(130)의 회전주기 등이 있다.
도 2는 회전자(130)의 주기적 회전에 의하여 이루어지는 고정부 통기구(122) 개방의 과정을 설명하기 위한 것으로, 예를 들어 4~10 cm의 직경을 가지는 회전자(130)에서 회전자 통기구(132)의 원호 부분은 고정부 통기구(122) 원호부분과 동심을 가지고 이에 밀착되어 회전하게 된다.
고정부 통기구(122)와 회전자 통기구(132)의 간극은 통상적으로 같지만, 다를 수도 있으며, 도 2는 통상적으로 같은 간극을 갖는 경우를 설명한 것이다.
회전자(130)의 전체 원호 중에 회전자 통기구(132) 부분이 차지하는 원호 부분의 개방비율(Ou)은 농산물의 종류와 포장조건에 따라 달라지며 0.01~0.60(즉, 1~60%)의 비율을 가질 수 있다. 또한, 개방비율을 쉽게 조절할 수 있도록 붙임식 혹은 미닫이식 도구를 회전자에 부착할 수도 있다.
회전자(130)가 회전함에 따라 일정시간 동안 양쪽 통기구(122, 132)가 겹쳐지는 조건에서 고정부 통기구(122)가 개방되는 효과를 가지고, 개방되는 고정부 통기구(122)의 면적은 시간에 따라 달라질 수 있으며, 최대의 경우 회전자 통기구(132) 면적(A)으로 개방된다.
고정부 통기구(122) 원호 부분은 회전자 통기구(132) 원호와 같은 면적으로 제작될 수 있지만, 통상적으로는 전자가 후자보다 일정비율로 크게 만들어지는데, 이 원호비율의 차이를 추가개방비율(α)이라고 한다. 여기서, 추가개방비율은 농산물의 종류와 포장상태에 따라 0~0.5(즉, 0~50%)를 취할 수 있으며, 추가개방비율을 필요에 따라 조절할 수 있도록 붙임식 혹은 미닫이식 도구를 회전자에 부착할 수도 있다.
회전자(130)의 주기적 회전에 따른 고정부 통기구(122) 개방의 진행은 도 3에 도시된 바와 같이 고정부 통기구(122)와 회전자(130)의 겹침상태에서의 진행경로를 나타낼 수 있다.
우선, 회전자(130)의 기준선을 이용하여 회전자(130)의 회전경로를 표현하면, a에서 e까지 순서대로 진행되는 한 주기로 나타낼 수 있다.
회전자 기준선(tl)을 원주 전체에 대한 비율로 정의하면, 회전자(130)는 회전자 기준점이 시작점 0에서 출발하여 일정속도로 증가하여 1.0에 도달하면 회전주기를 완성하는 것으로 표현할 수 있다.
한 주기가 시작되어 회전자(130)가 회전하여 회전자 통기구(130) 부분이 고정부 통기구(122)에 접하기까지(a~b) 고정부 통기구(122)가 밀폐되어 있게 되며, 즉 고정부 통기구(122)의 개방 면적은 0이 된다. 그리고 회전자 통기구(132) 부분이 고정부 통기구(122)의 시작점에 도달한 때에 회전자 기준선은 (1-α-2Ou)에 위치되고, 그 이후 회전자 통기구(132) 부분과 고정부 통기구(122)가 일치되는 정도가 점점 증가하여 회전자 기준선이 (1-α-Ou)에 이르러서는 개방부분의 면적이 회전자 통기구(132) 면적과 일치되게 된다(c).
즉, 고정부 통기구(122) 개방면적은 서서히 커져서 회전자 기준선이 (1-α-Ou)에 도달할 때에 회전자 통기구(132) 면적(A)만큼 개방된다. 이 기간 동안에(b~c) 개방되는 고정부 통기구(122) 면적은 A(tl-(1-α-2Ou))/Ou 로 표현할 수 있다. 이는 회전자의 위치에 따라 (tl-(1-α-2Ou))/Ou 값이 통기구 기본 면적단위 A에 곱해진 것이다.
그 이후 회전자(130)의 계속 회전함에 따라, 회전자 기준선이 (1-Ou)의 위치에 도달하기까지(c~d) 개방 고정부 통기구(122)의 면적은 회전자 통기구(132)의 면적(A)를 유지하다가, 그 이후(회전자 기준선 (1-Ou) 통과 이후) 회전의 처음 시작점에 도달하기까지는 고정부 통기구(122) 개방면적은 서서히 줄어든다(d~e).
d에서 e에 이르는 과정에서 개방되는 고정부 통기구(122) 면적은 A(1-tl)/Ou로 표기할 수 있다. 즉, 회전자의 위치에 따라 (1-tl)/Ou 값이 통기구 기본 면적단위 A에 곱해진 것이다. 이러한 회전주기는 회전자 기준선이 원래 시작점에 도달하면 완료되어, 고정부 통기구(122) 개방면적이 0이 되게 된다(a).
한편, 본 발명은 제어변수의 영향을 분석하기 위하여 수학적 모델을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하였고, 실험에 의하여 시뮬레이션 결과를 검증하였다.
시간주기에 따른 통기구 개폐를 가지는 용기(100) 내부의 산소 및 이산화탄소의 물질수지를 하기 수학식 1 및 수학식 2의 미분방정식들로 단순화하여 표현하였고, 이를 컴퓨터 프로그램으로 개발하여 농산물 용기 조건에 적용시키고 하기 실시예에서 그 유효성을 확인하였다.
Figure pat00005
Figure pat00006
상기 수학식 1 및 수학식 2에서, p는 기체의 분압(atm)으로서 통상 압력조건에서 100을 곱하면 % 농도가 된다.
t는 시간(h), V는 용기 부피(m3), D는 기체의 확산도 (m2/h), L은 통기구에서 기체확산의 경로길이로서 회전자 통기구(132)와 고정부 통기구(122)가 겹쳐져서 형성하는 깊이(m), B는 용기 본체(110) 벽면의 두께(mm), A는 통기구 원호 개방비율에 해당되는 통기구 기본 면적단위로서 회전자 통기구(132)의 면적(m2),
Figure pat00007
는 용기 본체(110) 벽면의 기체투과도(mol mm m-2 h-1 atm-1), W는 농산물 무게(kg), R은 기체상수(8.314 J K-1 mol-1), RO2는 산소 소비의 호흡속도 (mol kg-1 h-1), RCO2는 이산화탄소 발생의 호흡속도(mol kg-1 h-1), T는 절대온도(K)이고, D, p,
Figure pat00008
에 대한 하첨자로서 O2와 CO2 는 각각 산소와 이산화탄소를 나타낸다.
상기 수학식 1 및 수학식 2에서, Np는 회전자 통기구(132)의 회전에 따라서 실제로 얻어지는 고정부 통기구(122) 개방영역의 비율로서 0~1의 값을 취한다. 여기서, 도 3에서의 회전자의 회전에 따른 개방면적의 변화를 설명하는 데에 비례적 계수로서 서술된 바와 동일하다.
즉, a~b에서는 Np=0, b~c에서는 Np=(tl-(1-α-2Ou))/Ou, c~d에서는 Np=1.0, d~e에서는 Np=(1-tl)/Ou).
상기 컴퓨터 프로그램을 통하여 다양한 고정부 통기구(122) 및 회전자 통기구(132) 조건과 포장되는 농산물 조건을 결합하여 산소 및 이산화탄소 농도를 시뮬레이션한 결과, 0.2~40 kg의 농산물을 담는 용기(100)에 대해서 회전자(130)의 두께와 직경은 각각 0.1~2 cm, 4~10 cm 로서, 회전자 통기구(132)의 원호 직경은 3~9 cm 범위에 있어야 하고, 원호 개방비율은 0.01~0.6(1~60%)의 범위에 있고, 회전자 통기구(132)의 간극은 0.3~2.0 cm 의 범위로 유지하는 것이 적절한 조건으로 확인하였다.
고정부 통기구(122)는 원호 직경에서는 회전자 통기구(132)와 같되, 그 간극은 회전자 통기구(132) 값의 90~110% 범위에 있으며, 고정부 통기구(122) 원호는 0~0.5(0~50%)의 추가개방비율을 가질 수 있다.
회전자(130)의 회전주기는 예를 들어 1~48 시간의 범위가 적당하며, 통상적으로 회전주기가 짧을수록 내부에 얻어지는 기체조성의 진폭이 작은 것으로 확인되었다.
도 4는 본 발명의 1 실시예에 따른 큰느타리 버섯 용기 내부의 기체조성 상태를 나타낸 그래프이고, 여기서 실선은 측정된 기체 조성이고, 점선은 예측된 기체조성을 나타낸다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 개념적 유효성과 수학적 모델의 유효성을 검증하기 위하여 32.3x24.0x17.7 cm의 폴리프로필렌(두께 3 mm) 박스에 큰느타리 버섯(Pleurotus eryngii (De Candolle ex Fries) Quel) 1.5 kg을 담고 10℃에서 저장하면서 5일 간 용기 내부의 기체조성을 기체센서로 실시간으로 측정하였다.
전체 직경이 7 cm인 회전자 통기구(132)의 원호 직경이 6 cm, 두께가 2 mm 이고, 고정부 통기구(122) 간극이 1.0 cm, 회전자 통기구(132)의 원호비율(Ou)이 0.1(10%)이 되게 설치하고, 회전자 통기구(132)와 같은 원호 직경과 간극을 가진 고정부 통기구(122)에서의 추가개방비율(α)은 0.05(5%)가 되게 구성하였다.
회전자(130)를 12시간 주기로 고정부 통기구(122) 원호 위를 회전이 되게 하였다. 이때, 용기(100) 내의 산소 농도는 전기화학 센서에 의하여, 이산화탄소 농도는 비확산 적외선 센서에 의하여 실시간으로 측정하여 컴퓨터에 저장되도록 하였다.
도 4에 도시된 바와 같이, 용기(100) 내에서의 산소 및 이산화탄소 농도는 저장 1일 후부터 일정범위 내에서 진동하였고, 전체 기체농도변화의 유형에서 측정치(실선)와 예측치(점선)가 약간의 차이는 있지만 비교적 잘 일치하였다.
일부 진폭이 있지만 저장 1일 이후에 산소 농도와 이산화탄소 농도가 안정된 범위에서 진동하고 있었다. 즉, 회전자(130)가 시간주기에 따라 회전하면서 초기에는 밀폐된 조건에서의 버섯의 호흡으로 인하여 산소 농도가 낮아지고 이산화탄소 농도가 증가하였지만, 회전의 진행에 따라 회전자 통기구(132)가 고정부 통기구(122)와 일치되어 통기구가 개방되면서 산소 농도가 높아지고, 이산화탄소 농도가 감소되고 있었다.
버섯의 경우 보편적으로 산소 농도 2~5%와 이산화탄소 농도 10~15%의 범위에서 신선도를 잘 유지하는 것으로 알려져 있는데, 본 실시예 1에서는 대부분의 시간 동안 산소 농도 5~8%, 이산화탄소 농도 10~15% 범위에 머물렀다.
실시예 1의 결과는 원호 모양 통기구를 갖는 회전자(130)를 고정부 통기구(122)의 부분에 주기적으로 일치시켜서 주기적 개폐를 적절히 제어함에 의해 용기(100) 내의 산소 및 이산화탄소 농도를 적정 범위로 유지할 수 있음을 보여주었다. 이는 동시에 이러한 용기 포장의 설계에 상기의 수학적 모델이 유용한 도구로 사용될 수 있음을 알 수 있었다.
도 5는 본 발명의 2 실시예에 따른 큰느타리 버섯 용기 내부의 예측된 기체조성 상태를 나타낸 그래프이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 실시예 2는 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 적정기체조성을 유지시키는 용기조건으로서 10℃에서 큰느타리 버섯 1.5 kg을 담은 32.3x24.0x17.7 cm 의 폴리프로필렌(두께 3 mm) 박스에 통기구 조건을 설계하였다.
원호 직경 5 cm의 회전자 통기구(132)를 가진 회전자(130)(두께 3 mm)에 1 cm의 통기구 간극을 가지고 회전자 통기구(132)의 원호 개방비율(Ou)은 0.13(13%)으로 설정하고, 고정부 통기구(122)는 같은 간극으로서 추가개방비율(α)은 0.07(7%)이 되게 하였다.
회전자(130)가 12시간 주기로 고정부 통기구(122) 위를 회전되는 조건에서 5일 간 얻어지는 용기(100) 내부 기체조성을 예측하였다. 도 5에 도시된 바와 같이, 저장 3일 이후에 산소 농도 2~5%, 이산화탄소 농도 11~14%에 머물러서 품질유지에 도움이 되는 MA 조성의 범위에 있을 수 있는 것으로 나타났다.
실시예 2의 결과는 고정부 통기구(122)와 회전자 통기구(132)의 기하학적 구조와 회전자(130) 회전주기의 선택에 의하여 큰느타리 버섯의 저장에 적절한 기체 농도를 얻을 수 있음을 확인시켜 주었다.
도 6은 본 발명의 3 실시예에 따른 큰느타리 버섯 용기 내부의 예측된 기체조성 상태를 나타낸 그래프이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 실시예 3은 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 적정기체조성을 유지시키는 또 다른 용기조건으로서 10℃에서 큰느타리 버섯 0.9 kg을 담은 27.5x20x16 cm 의 폴리프로필렌(두께 3 mm) 박스에 통기구 조건을 설계하고 용기 내 기체조성을 예측하였다.
전체직경 6 cm, 원호 직경 5 cm의 회전자 통기구(132)(두께 1.2 cm)에 8 mm의 고정부 통기구(122) 간극을 가지고 그 원호 개방비율(Ou)은 0.14(14%)가 되게 하고, 같은 간극을 갖는 고정부 통기구(122)에서의 추가개방비율(α)은 0.08(8%)이 되게 하였고, 회전자(130)의 회전주기는 6시간으로 선택하였다.
이 조건에서 도 6에 도시된 바와 같이, 저장 3일 이후에 산소 농도 3~4%, 이산화탄소 농도 13~14%의 범위에서 반복적으로 증감하였고, 이는 버섯 품질 유지에 적정한 범위에 있었다.
회전주기가 12시간을 가진 상술한 실시예 1 및 실시예 2와 비교할 때, 짧은 회전주기 6시간을 가진 실시예 3의 결과에서는 기체농도 진폭이 좁아졌다.
도 7은 본 발명의 4 실시예에 따른 팽이버섯 용기 내부의 측정 기체조성과 예측된 기체조성을 비교한 그래프이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 시간제어형 통기구 용기 개폐장치는 10℃에서 팽이버섯(Flammulina velutipes) 에 적용하였다. 용기 본체(110)가 32.3x24.0x17.7 cm의 폴리프로필렌(두께 3 mm)인 박스에 1.5 kg의 팽이버섯을 담고 4일간 저장하면서 용기(100) 내부의 산소 및 이산화탄소 농도를 기체센서에 의해 실시간으로 측정하였다.
원호 직경 6 cm의 회전자 통기구(132)(두께 3 mm)는 1.0 cm의 간극을 가지고 원호 개방비율은 0.11(11%), 같은 1.0 cm 간극의 고정부 통기구(122)의 추가개방비율은 0.07(7%)이 되도록 제작하고, 회전자가 4시간 주기로 회전이 되게 하였다.
도 7에 도시된 바와 같이, 저장 2일 이후에 평형기체조성에 이르렀고, 수학식 1 및 수학식 2에 의하여 예측된 산소 농도의 평균은 2.0%, 이산화탄소 농도의 평균은 18.3%로서 각각의 측정치 1.5%, 17.3%에 매우 가까워서 용기 포장 설계 모델의 유효성을 확인시켰다(점선은 예측치, 실선은 측정치). 그리고 회전자의 회전주기에 따른 통기구 개폐의 변화에 따른 기체조성의 진폭 변화를 나타내는 표준편차에서도 예측 O2 기체조성에서는 0.3%, 측정 O2 기체조성에서는 0.5%를 나타내었고, 예측 CO2 기체조성에서는 0.2%, 측정 CO2 기체조성에서는 0.4%를 나타내어서 비슷하였다.
도 8은 본 발명의 5 실시예를 10℃에서 팽이버섯(Flammulina velutipes)에 적용하여 얻어진 기체조성을 나타낸 그래프이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 몸체가 32.3x24.0x17.7 cm의 폴리프로필렌(두께 3 mm)인 박스에 1.5 kg의 팽이버섯을 담고 5일간 저장하면서 용기 내부의 산소 및 이산화탄소 농도를 기체센서에 의해 실시간으로 측정하였다.
원호 직경 6 cm의 회전자 통기구(두께 2 mm)는 1 cm의 간극을 가지고 원호 개방비율은 0.07(7%), 같은 1.0 cm 간극의 고정부 통기구의 추가개방비율은 0.03(3%)가 되도록 제작하고, 회전자가 4시간 주기로 회전이 되게 하였다.
문헌에 의하면 팽이버섯은 산소 농도 1~2%와 이산화탄소 농도 15~20%의 범위에서 신선도를 잘 유지하는 것으로 알려져 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 저장 2일 이후에 산소 농도 1~3%, 이산화탄소 15~20%에 머물렀으며, 이는 팽이버섯의 신선도 유지에 적절한 기체조성이다.
실시예 5의 조건으로 5일간 저장된 팽이버섯의 품질을 150 g 단위의 대조구 플라스틱 포장(공기조성을 갖도록 직경 5 mm의 통기공 4개를 뚫은 두께 0.03 mm 폴리프로필렌 필름 포장)에 저장된 버섯의 품질과 비교한 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 표 1에 나타낸 바와 같이, 도 8의 기체조성을 형성시킨 실시예 5의 용기가 품질보존에 효과적이었음을 확인시켜주었다. 즉, 실시예 5는 대조구에 비해 현저히 낮은 중량손실, 줄기 신장률, 갓 펴짐, 색변화를 보여주었고, 부드러운 텍스쳐(낮은 절단강도)를 유지하여, 현저히 우수한 관능적 품질을 유지하였다.

품질측정 항목
대조구
실시예 5
중량손실(%)* 8.9±2.1 3.5±1.5
줄기의 신장률(%)* 18.6±1.5 3.9±2.1
갓의 펴짐(%)* 40.2±10.9 17.5±10.6
색 변화(ΔE)* 9.6±2.8 4.26±1.3
텍스쳐(두께 0.26 mm의 칼날에 의한 절단강도)** 3.0±0.7 1.7±0.2
전체적 기호도(17명의 관능요원에 의한 7점 만점 척도) 2.1±0.8 4.5±1.2
표 1에서 데이터는 평균ㅁ표준편차. *중량손실, 줄기의 신장률, 갓의 펴짐, 색 변화는 저장 초기 기준임. **저장 초기의 절단강도는 1.7ㅁ0.5 N 이었음.
이와 같이 구성된 본 발명은 농산물 용기에 원호 모양 홈의 통기구를 만들고 이에 대응되는 홈을 가진 회전자를 회전시켜 홈의 일치와 엇갈림을 통하여 통기구의 시간주기적 개폐 사이클을 얻어서 외부와의 기체 이동을 제어하고 용기 내에 적정 산소 및 이산화탄소 농도를 얻을 수 있게 된다.
또한, 설계변수로서 원호 모양 통기구의 크기와 두께(단면 높이), 고정부 통기구와 회전자 통기부 사이의 면적비율, 그리고 회전자의 회전주기 등을 조절함에 따라 통기의 정도를 시간의존적으로 제어시킬 수 있으며, 이들 설계변수는 담겨진 농산물의 호흡속도에 따라서 적절히 선택할 수 있고, 최적의 장치구성과 운전에 의하여 신선 농산물의 보존에 적절한 산소 및 이산화탄소 농도의 범위를 형성할 수 있다.
이상, 전술한 본 발명의 실시예는, 예시의 목적을 위해 개시된 것으로, 통상의 기술자라면, 이하 첨부된 특허청구범위에 개시된 본 발명의 기술적 사상과 그 기술적 범위 내에서, 또 다른 다양한 실시예들을 개량, 변경, 대체 또는 부가 등이 가능할 것이다.
100 : 개폐장치가 구비된 용기 110 : 용기 본체
120 : 용기 뚜껑 122 : 고정부 통기구
130 : 회전자 132 : 회전자 통기구
140 : 회전모터

Claims (7)

  1. 개폐장치가 구비된 용기에 있어서,
    상기 용기는 용기 본체와 용기 뚜껑으로 구성되고,
    상기 용기 본체 또는 용기 뚜껑에는 원호 모양의 일부가 뚫린 홈을 가지는 고정부 통기구가 구비되며,
    상기 고정부 통기구와 밀착되어 주기적으로 회전하는 원형 모양의 회전자가 구성되되,
    상기 회전자에는 상기 고정부 통기구와 대응되며 원호 모양의 일부가 뚫린 홈을 가지는 회전자 통기구가 구비되고, 회전모터가 회전자의 중심축에 설치되며 회전모터의 회전 운동에 따라 회전자 통기구의 위치가 이동되므로 상기 고정부 통기구의 개방과 밀폐가 주기적으로 반복되는 것을 특징으로 하는 농산물 용기와 포장에서 통기구의 시간주기에 따른 개폐 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전자는 용기의 외측 또는 내측에 설치되는 것을 특징으로 하는 농산물 용기와 포장에서 통기구의 시간주기에 따른 개폐 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 회전자의 전체 직경은 4~10 cm의 범위이고, 회전자에 구비된 회전자 통기구의 원호 직경은 3~9 cm 범위이며, 회전자의 두께는 0.1~2 cm의 범위를 가지고, 원호 개방비율은 0.01~0.6(1~60%)의 범위에 있고, 상기 회전자 통기구의 간극은 0.3~2.0 cm의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 농산물 용기와 포장에서 통기구의 시간주기에 따른 개폐 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 고정부 통기구는 원호 직경에서는 회전자 통기구와 같되, 그 간극은 회전자 통기구 값의 90~110% 범위에 있으며, 원호는 0~0.5(0~50%)의 추가개방비율을 가질 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 농산물 용기와 포장에서 통기구의 시간주기에 따른 개폐 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 회전자의 회전주기는 1~48 시간의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 농산물 용기와 포장에서 통기구의 시간주기에 따른 개폐 장치.
  6. 용기에 원호 모양의 일부가 뚫린 홈을 가지는 고정부 통기구가 구비되고, 상기 고정부 통기구와 밀착되어 주기적으로 회전하는 원형 모양의 회전자가 구비되며, 상기 회전자에는 상기 고정부 통기구와 대응되며 원호 모양의 일부가 뚫린 홈을 가지는 회전자 통기구가 구비되며, 회전모터가 회전자의 중심축에 설치되어 회전모터의 회전 운동에 따라 회전자 통기구의 위치가 이동되므로 상기 고정부 통기구의 개방과 밀폐가 주기적으로 반복시켜 용기 내부의 산소 및 이산화탄소의 물질수지를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 농산물 용기와 포장에서 통기구의 시간주기에 따른 개폐 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 용기 내부의 산소 및 이산화탄소의 물질수지는 하기 수학식 1 및 수학식 2의 미분방정식으로 표현하여 농산물 용기 보관 조건에 적용시키는 것을 특징으로 하는 농산물 용기와 포장에서 통기구의 시간주기에 따른 개폐 방법.

    [수학식 1]
    Figure pat00009

    [수학식 2]
    Figure pat00010


    상기 수학식 1 및 수학식 2에서, p는 기체의 분압(atm)으로서 통상 압력조건에서 100을 곱하면 % 농도, t는 시간(h), V는 용기 부피(m3), D는 기체의 확산도 (m2/h), L은 통기구에서 기체확산의 경로길이로서 회전자 통기구와 고정부 통기구가 겹쳐져서 형성하는 깊이(m), B는 용기 본체 벽면의 두께(mm), A는 통기구 원호 개방비율에 해당되는 통기구 기본 면적단위로서 회전자 통기구의 면적(m2),
    Figure pat00011
    는 용기 본체 벽면의 기체투과도(mol mm m-2 h-1 atm-1), W는 농산물 무게(kg), R은 기체상수(8.314 J K-1 mol-1), RO2는 산소 소비의 호흡속도 (mol kg-1 h-1), RCO2는 이산화탄소 발생의 호흡속도(mol kg-1 h-1), T는 절대온도(K)이고, D, p,
    Figure pat00012
    에 대한 하첨자로서 O2와 CO2 는 각각 산소와 이산화탄소를 나타내고, Np는 회전자 통기구의 회전에 따라서 실제로 얻어지는 고정부 통기구 개방영역의 비율로서 0~1의 값이다.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113137805A (zh) * 2021-04-28 2021-07-20 珠海格力电器股份有限公司 一种冰箱的气体浓度调控方法及冰箱

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