KR20150093271A - 저온 플라즈마를 이용한 건조 분말의 살균 장치 및 살균 방법 - Google Patents

저온 플라즈마를 이용한 건조 분말의 살균 장치 및 살균 방법 Download PDF

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KR20150093271A KR1020140013588A KR20140013588A KR20150093271A KR 20150093271 A KR20150093271 A KR 20150093271A KR 1020140013588 A KR1020140013588 A KR 1020140013588A KR 20140013588 A KR20140013588 A KR 20140013588A KR 20150093271 A KR20150093271 A KR 20150093271A
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Abstract

본 발명은 반응부 내부에 설치되며, 전압을 공급하는 전원 공급부에 연결되는 제1전극; 상기 반응부 내부에 설치되며, 상기 제1전극의 하부에 상기 제1전극과 이격되어 마주보게 설치되며, 접지전극과 연결되는 제2전극; 및 상기 제1전극의 하부에 설치되는 복수개의 전극노즐; 을 포함하는 저온 플라즈마를 이용한 건조 분말의 살균 장치에 관한 것이다.
본 발명은 저온 플라즈마를 이용한 건조 분말의 살균 장치를 이용하여, (a) 상기 반응부로 기체를 유입하는 단계; (b) 상기 제1전극에 고전압을 인가하여 상기 전극노즐에 전기장을 발생시키는 단계; (c) 상기 제1전극과 제2전극 사이에서 플라즈마가 형성되어 유입된 기체를 활성화시키는 단계; 및 (d) 상기 활성화된 기체가 건조 분말내로 공급되어 상기 건조 분말을 살균처리하는 단계; 를 포함하는 저온 플라즈마를 이용한 건조 분말의 살균 방법에 관한 것이다.

Description

저온 플라즈마를 이용한 건조 분말의 살균 장치 및 살균 방법{Apparatus for sterilizing dry powder using low temperature plasma and method using the same}
본 발명은 저온 플라즈마를 이용한 건조 분말의 살균 장치 및 살균 방법에 관한 것이다.
일반적인 분말 살균 방법으로는 가열 살균방법과 비가열 살균방법으로 구분된다. 이 중, 가열 살균방법은 미생물의 증식을 억제하여 저장기간을 연장시킬 수 있으나, 100℃ 이상의 온도에서 살균이 진행되기 때문에 열에 약한 재료에는 사용할 수 없는 단점이 있다. 또한, 가열 살균방법은 살균 처리하여 식품의 병원성 미생물을 검출한계 이하까지 줄이더라도 저장하는 과정에서 미생물이 다시 성장하는 문제가 있다.
이에, 상기 문제점을 극복할 수 있는 대안으로서, 비가열살균법에 대한 연구로 집중되고 있으며, 이러한 비가열 살균법으로는 방사선, 전자빔, 초고압, 고전장펄스, 자외선, 저온 플라즈마 등이 있다.
이 중, 독특한 생물학적 작용을 지니고 있어 오염된 분말의 미생물이나 해충을 사멸시키는 효과적인 기술인 방사선 조사 기술이 대표적으로 이용되고 있다. 그러나, 상기 방사선 조사 기술은 시설의 특수함으로 인해 설치 및 유지, 관리를 위한 시설을 갖추어야 하며, 관리를 위한 전문인력이 요구된다. 특히, 아직까지 소비자들에 대한 수용성에 있어 거부감을 가지고 있어 상용화하는데 어려움을 가지고 있다.
이 외 방법으로 자외선조사법은 투과력이 약하여 표면 이외의 혼입 미생물을 살균할 수 없고, 마이크로웨이브 처리법은 자체 수분 함량이 낮으면 살균 효과가 거의 없다.
그러나, 대기압 플라즈마는 대기압 상태에서 플라즈마를 발생하는 기술로 현재 반도체 공정, 섬유 공정, 물질 합성 및 분해과정 등 여러 분야에서 사용되고 있다. 또한, 효율적이며 폐기물을 발생시키지 않아 비오염적이고 환경친화적이므로 다른 살균방법에 비해 설치 및 유지비용이 저렴하여 경제적이다.
따라서, 소비자가 거부감을 나타내지 않으며, 소비전력을 최소화시켜 운전비용을 경감할 수 있고, 분말 살균 처리에 효과적으로 적용할 수 있는 플라즈마를 이용한 분말 살균 장치가 필요한 실정이다.
KR 10-2010-0102883(공개번호)
본 발명은 소비전력을 최소화시켜 운전비용을 경감할 수 있고, 분말 살균 처리에 효과적으로 적용할 수 있는 플라즈마를 이용한 분말 살균 장치를 제공하고자 한다.
본 발명은 반응부 내부에 설치되며, 전압을 공급하는 전원 공급부에 연결되는 제1전극; 상기 반응부 내부에 설치되며, 상기 제1전극의 하부에 상기 제1전극과 이격되어 마주보게 설치되며, 접지전극과 연결되는 제2전극; 및 상기 제1전극의 하부에 설치되는 복수개의 전극노즐; 을 포함하는 저온 플라즈마를 이용한 건조 분말의 살균 장치를 제공한다.
본 발명은 저온 플라즈마를 이용한 건조 분말의 살균 장치를 이용하여, (a) 상기 반응부로 기체를 유입하는 단계; (b) 상기 제1전극에 고전압을 인가하여 상기 전극노즐에 전기장을 발생시키는 단계; (c) 상기 제1전극과 제2전극 사이에서 플라즈마가 형성되어 유입된 기체를 활성화시키는 단계; 및 (d) 상기 활성화된 기체가 건조 분말내로 공급되어 상기 건조 분말을 살균처리하는 단계; 를 포함하는 저온 플라즈마를 이용한 건조 분말의 살균 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 저온 플라즈마를 이용한 건조 분말의 살균 장치는 제1전극과 제2전극사이에 건조 분말을 위치하도록 하였으며, 상기 살균 장치 내에 골고루 플라즈마가 형성할 수 있도록 상기 제1전극 하부에 복수개의 전극노즐을 설치하여 대기압, 저온에서 건조 분말의 미생물과 유기물 등을 효과적으로 살균할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 플라즈마를 이용한 건조 분말의 살균 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 저온 플라즈마를 이용한 건조 분말의 살균 장치를 이용한 일 실험예에서 시간에 따른 살균효율을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 저온 플라즈마를 이용한 건조 분말의 살균 장치 다른 실험예에서 소비전력에 따른 살균효율을 나타내는 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 플라즈마를 이용한 건조 분말의 살균 장치의 구성을 나타내는 도면, 도 2는 본 발명의 저온 플라즈마를 이용한 건조 분말의 살균 장치를 이용한 일 실험예에서 시간에 따른 살균효을 나타내는 그래프, 도 3은 본 발명의 저온 플라즈마를 이용한 건조 분말의 살균 장치 다른 실험예에서 소비전력에 따른 살균효율을 나타내는 그래프이다. 이하, 도 1 내지 도 3과 실시예를 통해 본 발명인 저온 플라즈마를 이용한 건조 분말의 살균 장치 및 살균 방법을 상세히 설명한다.
본 발명은 소비자가 거부감을 나타내지 않으며, 소비전력을 최소화시켜 운전비용을 경감할 수 있고, 분말 살균 처리에 효과적으로 적용할 수 있는 플라즈마를 이용한 분말 살균 장치에 관한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 저온 플라즈마를 이용한 건조 분말의 살균 장치(10)는 반응부(100) 내부에 제1전극(110)과 제2전극(120)이 서로 이격되어 마주보게 설치되며, 상기 제1전극(110) 하부에 복수개의 전극노즐(130)이 형성되어 있다.
보다 구체적으로, 상기 제1전극(110)과 제2전극(120)은 상기 반응부(100) 내부에서 판상으로 형성되어 서로 마주보게 설치되어 있으며, 상기 제1전극(110)은 고전압을 공급하는 전원 공급부에 연결되어 있으며, 상기 제2전극(120)은 접지전극(121)과 연결되어 있다. 이때, 살균하고자 하는 건조 분말은 제1전극(110)과 제2전극(120) 사이에 위치할 수 있으며, 일 예로 제2전극(120)의 상부에 위치할 수 있다.
여기서, 접지전극(121)이라 함은 접지를 하기 위해 대지 속에 매설되는 전극으로, 금속막대, 금속판, 금속 메시일 수 있으며, 본 발명은 일 예로, Y-자 형 접지전극(121)일 수 있다.
또한, 상기 전극노즐(130)은 플라즈마를 효과적으로 발생시키기 위해 종단면이 침상으로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로 전극노즐(130)이 침상으로 형성되어 있어, 상기 전극노즐(130)의 일단에서 전자가 증폭하게 되어 플라즈마가 보다 균일하게 발생할 수 있다. 특히, 이는 대량의 건조 분말 살균에 용이하게 사용될 수 있다.
이때, 상기 전극노즐(130)은 철, 스테인레스, 구리, 텅스텐, 알루미늄 또는 아연의 재질로 형성될 수 있으며, 전도성 재질로 형성되어 있다면 어떠한 재질로 이루어져 있어도 무방하다. 일 예로 철로 이루어진 전극노즐(130)일 수 있다.
이에 더하여, 상기 반응부(100)는 일측에 기체를 유입하기 위한 유입구(140)를 포함하며, 타측은 상기 기체를 유출하기 위한 배출구(150)가 형성될 수 있다. 일 예로 기체는 상기 유입구(140)로 1L/min 의 유량으로 반응부(100)에 공급될 수 있다. 이 때, 기체의 유입은 상기 반응부(100) 내부에서 다양한 활성종 및 자외선이 발생될 수 있도록 하기 위함이다.
보다 구체적으로, 상기 기체 유입구(140)를 통해서 기체가 상기 반응부(100)로 유입되고, 반응부(100) 내부에서 플라즈마가 발생하여 유입된 기체를 활성화시킬 수 있다.
여기서 기체라 함은, 공기, 산소, 질소, 또는 아르곤 중 적어도 하나일 수 있으며, 일 예로 공기가 사용될 수 있다. 여기서, 공기라 함은 질소, 산소, 아르곤, 이산화탄소 등의 혼합물이 섞여있는 지구를 둘러싼 대기의 하층 부분에 있는 무색, 투명, 무취의 혼합기체를 의미한다.
특정양태로서, 본 발명은 제1전극(110) 및 제2전극(120)의 사이에는 유전체 부재를 추가로 포함할 수 있다. 상기 유전체 부재는 하나의 마이크로 방전에 의해 전해지는 전하의 양을 제한하고 마이크로 방전이 전극 전체로 퍼지도록 하기 위함이다.
상기 유전체 부재는 유전율이 높은 물질로 이루어질 수 있으며, 일 예로, 석영관, 유리관 또는 세라믹관으로 이루어질 수 있다. 상기 유전체 부재는 하나의 마이크로 방전에 의해 전해지는 전하의 양을 제한하고 마이크로 방전이 전극 전체로 퍼지도록 하기 위함이다.
또한, 본 발명의 전원공급부는 직류전원으로 인가 전압은 1000V 내지 50000V, 사용전류는 0.1mA 내지 1A일 수 있다.
특정양태로서, 상기 전원공급부는 교류전원과 양극전압으로 주파수 대역은 10Hz 내지 100 kHz, 인가 전압은 1000 내지 50000V, 사용전류는 0.1mA 내지 1A일 수 있다.
이에 더하여, 본 발명의 저온 플라즈마를 이용한 건조 분말의 살균 장치(10)를 이용한 건조 분말의 살균 방법에 관한 것으로, 보다구체적으로, (a) 상기 반응부(100)로 기체를 유입하는 단계; (b) 상기 제1전극(110)에 고전압을 인가하여 상기 전극노즐(130)에 전기장을 발생시키는 단계; (c) 상기 제1전극(110)과 제2전극(120) 사이에서 플라즈마가 형성되어 유입된 기체를 활성화시키는 단계; 및 (d) 상기 활성화된 기체가 건조 분말내로 공급되어 상기 건조 분말을 살균처리하는 단계; 를 포함한다.
또한, 상기 (b) 단계는 고전압에 의해 형성되 전하가 상기 제1전극(110)에서 제2전극(120)으로 이동하여 건조 분말을 살균처리하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
일 예로, 방전 플라즈마의 자외선도 살균처리에 이용될 수 있다. 보다 구체적으로, 플라즈마 상태에서는 이온이나 들뜬 상태의 분자들에 의해 여러 파장의 자외선이 방출되고, 플라즈마 전계에 고전압이 형성되어 미생물이 사멸될 수 있다.
건조 분말의 살균 방법은 보다 구체적으로, 기체는 유입구(140)를 통하여 반응부(100)로 유입된다.
또한, 일정한 주파수를 가지는 전압이 제1전극(110)에 인가되어 전극노즐(130)의 일단에서 전기장이 발생하게 되면, 반응부(100) 내부의 제1전극(110)과 제2전극(120) 사이에서 플라즈마가 생성되어 유입된 기체를 활성화시키게 된다. 상기 활성화된 기체와 관련하여 많은 해리 및 이온화 반응들이 가능하며, 주요 반응식만 요약해 보면 다음과 같다.
O2 + e → O + O + e (반응식 1)
N2 + e → N + N + e (반응식 2)
O+O2 → O3 (반응식 3)
N2 + e → N2 + + e (반응식 4)
O2 + e → O2 + + e (반응식 5)
O2 + e → O2 - (반응식 6)
O2 + e → O + O- (반응식 7)
N2 + e → N2 * (반응식 8)
상기 반응식에서 e는 고에너지 전자, N2 * 는 여기상태의 질소분자를 나타낸다. 또한, O, O3, N, N2 +, O2 +, O2 - 등의 활성화된 기체는 건조 분말 속의 미생물이 이들 성분들과 반응을 통해 제거되어 건조 분말의 살균 과정을 거치게 된다.
한편, 상기 제1전극(110)에 인가되는 전압은 적절하게 조절될 필요가 있다. 전압이 높아질수록 살균의 효율은 증가할 수 있으나, 전압이 너무 높으면, 아크가 발생하여 전기합선과 같은 현상이 일어날 수 있으며, 전압이 너무 낮으면 가스가 이온화되지 못할 수 있기 때문에 이와 같은 점을 종합하여 고려하여 볼 때에, 제1전극(110)에 인가되는 전압은 5 내지 30kV인 것이 바람직하다.
또한, 제1전극(110)에 인가되는 전압의 주파수 역시 절절하게 조절될 필요가 있다. 주파수가 너무 높으면 전기적인 정합 문제로 인해 전력이 비효율적으로 사용될 수 있으며, 주파수가 너무 낮으면 플라즈마가 생성이 안되어 기체가 활성화하지 못할 수 있기 때문에, 이와 같은 점을 종합적으로 고려하여 볼 때에, 제1전극(110)으로 인가되는 주파수는 50Hz 내지 10kHz인 것이 바람직하다.
또한, 제1전극(110)에 인가되는 전압에 의해 제1전극(110)과 제2전극(120)사이에서 플라즈마가 발생하며 플라즈마에 의한 고에너지의 전자가 직접 건조분말의 살균에 관여하여 미생물을 사멸시킨다.
특히, 본 발명은 저온에서 반응이 이루어질 수 있으며, 이때의 온도는 20℃ 내지 60℃일 수 있다.
이에 더하여, 본 발명은 건조 분말에 접종된 미생물 또는 유기물의 살균력은 시간에 따라 비례하며, 일 예로 대장균의 초기 농도는 1×105CFU/ml 이었을 때, 저온 플라즈마를 이용하여 살균처리시 살균 시간 1분 후에는 약 104CFU/ml 으로 대장균 수가 감소하였고, 5분 후에는 약102CFU/ml 으로 대장균 수가 감소될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실험예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실험예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실험예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실험예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
< 실험예 >
실험예 1. 오염된 모사 분말의 제조
본 발명의 실험예에서 건조 분말에 미생물을 접종하여 오염된 모사 분말을 제조하여 사용하였다. 사용된 건조 분말은 화산암재인 스코리아(scoria, (주)제주사랑농수산)를 사용하였고, 미생물은 대장균을 사용하였다.
보다 구체적으로, 상기 미생물은 한국미생물보존센터(KCCM)에서 Escherichia coli(ATCC 11775)를 분양 받은 후, OXOID사의 액체 배지(Lactose broth)에 주입, 인큐베이터(37℃)에서 24시간 배양한 후 사용하였으며, 액체 배지의 대장균의 농도는 1×107CFU/ml 이었다. 스코리아에 대장균 오염은 스코리아 200g에 대장균 배양액 2g을 주입하였다.
이때, 대장균의 초기 농도는 1×105CFU/ml 이었으며(CFU: Colony Forming Unit), 실제 미생물 오염 분말의 미생물은 이보다 훨씬 낮으나, 실험 및 분석을 용이하게 하기 위하여 대장균을 1×105CFU/ml 로 높였다.
이에 더하여, 본 발명의 건조 분말 살균 장치에 내부에 주입되는 공기의 유량은 질량유량조절기를 이용하여 조절하였으며, 플라즈마 방전관에 공급된 고전압은 오실로스코프로 관찰하였고, 소비전력은 전력계를 사용하여 분석하였다. 또한, 대장균의 사멸 효율 측정에는 3M사의 E.coli 용 Petrifilm이 이용되었으며, 본 실험예에서 사용한 직류 고전압 공급장치는 +극 직류장치이다.
실험예 2. 저온 플라즈마를 이용한 건조 분말의 살균 장치를 이용한 건조 분말의 살균효율 변화
본 발명의 저온 플라즈마를 이용한 건조 분말의 살균 장치(10)를 이용한 건조 분말의 살균효율을 분석하기 위하여 실험예 1에서의 건조 분말을 제1전극(110)과 제2전극(120)의 사이에 배치시켰으며, 50kV의 직류 고전압을 살균 장치에 5분 동안 공급하였다. 50kV의 전압에서 전력계로 측정된 소비전력은 22W 이었으며, 이를 5분동안 공급된 전기에너지로 환산하면 6600J 이다.
본 발명의 분말 살균 장치 내부에 기체를 연속으로 공급하였으며, 제1전극(110)에 고전압을 인가하였다. 이때, 제1전극(110)과 제2전극(120)사이를 기체가 통과하게 되면 플라즈마 상태로 변화하여, 기체가 활성화되었다. 특히, 공기 중의 산소와 수증기가 해리되어 오존, 산소원자, 수산화라디칼 등의 각종 산화성 성분들이 발생되었다.
도 2는 본 발명의 저온 플라즈마를 이용한 건조 분말의 살균 장치(10)에 공기를 주입하였고, 소비전력 22W에서 시간에 따른 살균효율을 나타내는 그래프이다. 도 2에 나타난 바와 같이, 저온 플라즈마를 이용하여 살균처리시 살균 시간 1분 후에는 약 104CFU/ml 으로 대장균 수가 감소하였고, 5분 후에는 약102CFU/ml 으로 대장균 수가 감소되었음을 알 수 있었다.
따라서, 본 발명의 저온 플라즈마를 이용한 건조 분말의 살균 장치(10)가 살균처리에 매우 효과적임을 알 수 있었다.
도 3은 본 발명의 저온 플라즈마를 이용한 건조 분말의 살균 장치 다른 실험예에서 소비전력에 따른 살균효율을 나타내는 그래프이다. 이때, 주입기체는 공기를 사용하였으며, 살균시간은 5분, 건조분말은 200g 을 살균처리 하였다.
도 3에 나타난 바와 같이, 소비전력 10W 에서는 대장균이 거의 사멸하지 않았다. 이는 소비전력이 10W에서는 플라즈마가 거의 형성되지 않았기 때문이다. 하지만, 소비전력이 14W 이상에서는 소비전력이 증가할수록 살균 효율이 증가한 것을 확인할 수 있었다.
10: 건조 분말의 살균 장치
100: 반응부 110: 제1전극
120: 제2전극 121: 접지전극
130: 전극노즐 140: 유입구
150: 배출구

Claims (10)

  1. 반응부 내부에 설치되며, 전압을 공급하는 전원 공급부에 연결되는 제1전극;
    상기 반응부 내부에 설치되며, 상기 제1전극의 하부에 상기 제1전극과 이격되어 마주보게 설치되며, 접지전극과 연결되는 제2전극; 및
    상기 제1전극의 하부에 설치되는 복수개의 전극노즐; 을 포함하는 저온 플라즈마를 이용한 건조 분말의 살균 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응부는
    일측에 기체를 공급하는 유입구; 및
    타측에 기체를 배출하는 배출구를 포함하는 저온 플라즈마를 이용한 건조 분말의 살균 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전극노즐의 종단면은 침상인 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마를 이용한 건조 분말의 살균 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극 및 제2전극은 판상인 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마를 이용한 건조 분말의 살균 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극 및 제2전극의 사이에는 유전체 부재를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마를 이용한 건조 분말의 살균 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유전체 부재는 석영, 유리 또는 세라믹으로 이루어진 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마를 이용한 건조 분말의 살균 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전원공급부는 직류전원으로 인가 전압은 1000V 내지 50000V, 사용전류는 0.1mA 내지 1A인 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마를 이용한 건조 분말의 살균 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전원공급부는 교류전원과 양극전압으로 주파수 대역은 10Hz 내지 100 kHz, 인가 전압은 1000 내지 50000V, 사용전류는 0.1mA 내지 1A인 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마를 이용한 건조 분말 살균 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 저온 플라즈마를 이용한 건조 분말의 살균 장치를 이용하여,
    (a) 상기 반응부로 기체를 유입하는 단계;
    (b) 상기 제1전극에 고전압을 인가하여 상기 전극노즐에 전기장을 발생시키는 단계;
    (c) 상기 제1전극과 제2전극 사이에서 플라즈마가 형성되어 유입된 기체를 활성화시키는 단계; 및
    (d) 상기 활성화된 기체가 건조 분말내로 공급되어 상기 건조 분말을 살균처리하는 단계; 를 포함하는 저온 플라즈마를 이용한 건조 분말의 살균 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 고전압에 의해 전하가 상기 제1전극에서 제2전극으로 이동하여 건조 분말을 살균처리하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 건조 분말의 살균 방법.
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