Development of Intense Pulsed Light, Plasma, and UV combined system for microbial inactivation of granular and powdered food

Abstract

Chapter 1. Construction of IPL-plasma-UV combined system 광펄스에서 사용되는 빛은 200–1100 nm의 넓은 파장으로, 자외선 영역뿐만 아니라 근적외선 영역까지 포함하고 있다. 전 파장의 강한 빛을 아주 짧은 시간에 식품 표면에 가하여 미생물의 DNA 구조를 파괴시키거나 세포벽을 붕괴시킴으로써 미생물을 사멸시킨다. ‘물질의 네 번째 상태’라고 불리는 플라즈마는 전자와 이온으로 분리된 기체상태이다. 플라즈마 생성 중 발생하는 활성산소나 활성질소는 미생물 세포막뿐만 아니라 단백질, 핵산, 지질을 산화시켜 세포의 노화와 사멸을 촉진시킨다. 자외선은 이미 많이 알려져 있는 기술로, 100–400 nm의 파장을 포함한다. 200–280 nm의 자외선C는 미생물 사멸에 효과적인 파장으로, 광펄스 메커니즘과 유사하게 DNA 변이를 일으킨다. 앞선 세 가지 기술은 비가열 살균기술로, 효과적인 미생물 저감효과를 보이는 것으로 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 살균효과 증대를 위하여 세 가지 기술을 모두 병합한 살균 시스템을 개발하고자 하였다. 고안한 병합시스템은 대량 살균을 목표로 하고 있으며, 크게 세 부분으로 나누어 볼 수 있다. 먼저, 광펄스 시스템은 전력공급장치 2개, 제논램프 2개, 냉각장치로 구성되어 있다. 저장되어 있던 전기적 에너지가 램프로 전달되면 펄스 형태의 강한 빛이 방사된다. 본 연구에서 사용된 전력공급장치는 최대 5000 V를 출력할 수 있으며, 이에 상응하는 빛에너지는 펄스 당 최대2.54×10^-1 J/cm^2이다. 다음으로 플라즈마 시스템은 공압장치, 대기압 플라즈마 제트 4개, 냉각장치로 구성되어 있다. 전극 사이에 전류가 흐르면 제트 내의 가스가 방전되어 플라즈마가 생성된다. 광펄스와 플라즈마 시스템에서 사용되는 냉각장치는 램프 및 제트에 의한 과열방지를 위한 시스템이다. 마지막으로 자외선 시스템은 LED 램프 4개, 진동피더로 구성되어 있다. 램프는 자외선뿐만 아니라 가시광선 영역까지 포함하는데, 3.17×10^-4 J/cm^2/s의 빛에너지를 내뿜는다. 식품은 피더의 진동에 의해 미끄러져 이동하게 된다. 그 외에도 병합시스템은 로터리밸브 3개, 컴프레셔 3개, 블로워 3개, 삼방밸브 3개를 포함하는데, 이들을 조절함으로써 식품 특성에 따라 유량속도를 조절할 수 있다. 전 시스템이 메인 컨트롤러에 연결되어 있기 때문에, 사용자는 메인 컨트롤러를 통해 작동시키고자 하는 시스템 (광펄스 단독, 플라즈마 단독, 광퍼스-플라즈마-자외선 병합)과 작동방법 (수동, 자동, 반자동)을 선택할 수 있다. 컴프레셔에 의해 호퍼 내부가 진공화 되면서 하단부에 있던 식품이 상단부의 호퍼로 이동할 수 있게 된다. 호퍼 내부에서는 식품이 자유낙하가 아닌 사이클론 형태로 이동하게 된다. 이는 식품이 호퍼 내에 오래 머물게 함으로써 빛을 더 많이 받게 하기 위해서이다. 기기 청소를 위해서는 밸브, 파이프, 필터와 같은 탈착 가능한 부품들을 모두 분리하여 세척한 후 건조해 다시 조립해야 한다. 본 병합시스템은 일부 식품 살균에 있어 부적합하다는 한계점이 있다. 당이나 유분이 많은 식품은 기기 벽에 눌어붙을 수 있으며, 밀도가 높거나 입자가 작은 식품은 기기를 순환하기 어렵다. 따라서 이러한 식품에도 적용하기 위해서는 추가적인 연구와 개발이 필요할 것이다. 본 연구는 광펄스-플라즈마-자외선 병합시스템의 개발 및 개선에 기여할 것으로 기대한다.

Chapter 2. Potential of IPL-plasma-UV combined system 소비 간편성과 저장•유통 편의성 때문에 최근 분말형태의 식품이 각광받고 있다. 낮은 수분함량을 가지고 있어 미생물 오염에 안전하다고 생각할 수 있지만, 제품을 생산하고 유통하는 과정에서 오염이 일어나 시판 제품의 경우 10^3–10^6 CFU/g의 오염도를 보이고 있다. 또한 건조한 식품에는 열 저항성과 생존력이 강한 Salmonella, Bacillus spp., Clostridium perfringens, Cronobacter spp., Shigella, Staphylococcus가 우세하다. 그러므로 분말식품에 대한 살균공정은 매우 중요한데, 일반적으로 증기, 훈증, 방사선 처리로 진행되어 왔다. 기존의 방법들은 식품의 물리•화학적 특성의 변화, 독성물질 생성, 소비자의 부정적 인식을 불러일으킨다. 따라서 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하고자 자체제작한 IPL-plasma-UV combined system을 참깨, 후춧가루, 고춧가루, 한약재에 적용하여 살균효과를 확인하였다. 200 g의 시료를 IPL 전압 (3000–4200 V)을 달리해가며 3, 5, 7, 10분 동안 처리하였다. 이 때, 시료가 받는 IPL fluence는 6.13–24.44 J/cm^2이었다. 참깨와 후춧가루의 경우에는 대량 살균효과를 보기 위해 500 g 증량하여 처리하기도 하였다. 참깨는 IPL-only와 plasma-only system에 의해 최대 1.12-, 0.59- log reduction이 일어났지만, combined system에 의해서는 최대 1.33-log reduction이 일어났다. 외부적인 요인에서 봤을 때, 이러한 결과는 IPL과 plasma의 병용 효과로서, combined system이 separate system보다 더 높은 저감효과를 보였다. 또한, IPL 전압과 처리시간 증가함에 따라 저감효과가 증가하였는데, 이는 시료가 받는 fluence와 reactive species의 증가로 미생물의 손상이 증가한 것으로 설명할 수 있다. 후춧가루, 고춧가루, 인삼가루, 길경가루는 0.59-log 이하의 저감화를 보였고, 참깨, 녹용가루, 홍삼가루는 0.88-log 이상의 저감화를 보였다. 이는 내부적인 요인에서 봤을 때 식품 표면의 형태에 의한 차이로 보인다. 표면에 구멍과 틈새들이 많은 식품의 경우, 크기가 작은 미생물들이 숨을 수 있는 공간을 제공해 저감효과 또한 떨어졌다. 물리적 특성의 변화도 관찰하였는데, combined system 처리 후, 색, 수분활성도와 수분함량이 유의적으로 변화하였다. 이러한 양상은 IPL-only system에서는 아니지만, plasma-only system에서도 관찰되었다. 즉, combined system에 의한 물리적 특성 변화는 plasma 생성 시 발생하는 열에 의한 것으로 사료된다. 독성 안정성 평가에서는 어떠한 이상소견이 발견되지 않은 것으로 보아 IPL-plasma-UV combined system은 인체에 무해하다고 할 수 있다. 앞으로 combined system의 실용화를 위해서는 미생물 저감화 및 품질변화를 개선시키기 위한 처리조건과 관련된 연구가 더 필요할 것이다. 일례로, xenon lamp를 시료가 이동하는 파이프 양 옆으로 설치하면 IPL을 받는 표면적이 증가하여 저감효과 또한 증가할 것이다. 본 연구는 IPL-plasma-UV combined system의 상용화를 이루는데 기여할 것으로 기대한다.

Chapter 3. Economic analysis for IPL-plasma-UV combined system 수삼을 증기로 쪄서 건조시켜 만드는 홍삼은 한국인이 가장 사랑하는 건강기능식품으로, 전체 시장의 50% 이상을 차지하고 있다. 면역력 증강, 당뇨조절, 자양강장, 호흡계 질환 예방 등 다양한 방면에서 인체에 유효작용을 한다고 알려져 있다. 이러한 이유에서 홍삼의 수요가 지속적으로 증가함에 따라, 원형삼뿐만 아니라 추출물, 분말, 차 등 여러 가지 형태로 소비되고 있다. 일반적으로 홍삼제품은 140˚C 이상의 열로 살균처리를 하고 있다. 그러나 이러한 살균처리 방법은 단백질 변성, 전분의 호화, 갈변화, 분말 뭉침 등을 일으킨다. 따라서 본 연구에서는 기존의 살균공정이 가진 문제점을 극복하고자 자체제작한 IPL-plasma-UV combined system을 홍삼분말 제조공정에 적용시켰을 때, 경제적으로 투자가치가 있는지, 그리고 예상치 못한 변수가 발생했을 때 얼마나 민감하게 반응하는지를 평가하였다. 홍삼분말의 제조공정은 크게 홍삼제조, 진공건조, 분쇄, 살균으로 이루어져 있으며, 전체 공정에서 약 19%의 손실이 발생한다. 교체사업이 이루어지면 제품의 안전성에 대한 소비자의 불안감이 해소되고, 선호도가 향상됨에 따라 연간 판매량이 상승할 것으로 생각되어 공장가동률 100% 시의 하루 원료투입량을 67% 증가시켰으며, 그에 따라 노동력도 증가할 것으로 예상했다. 생산비용에 대해서는, 이전보다 전력사용량이 증가할 것이며, lamp와 plasma jet과 같은 소모품의 사용으로 유지•보수비가 증가할 것으로 예측하였다. 또한 신기술이기에 소비자들에게 홍보하기 위한 마케팅비와 산업에 적용시키기 위한 연구•개발비가 추가적으로 필요할 것으로 예측하였다. 교체사업 전후의 연간이익 차를 기준으로 하여, 기기구입에 대한 감가상각, 세금 등을 고려하여 현금흐름을 추정하였으며, 그에 따른 할인 현금 흐름 수익률과 순현재가치를 계산하였다. 교체사업의 안정성을 위해 공장을 50%로부터 점차 증가시켜 6차년도부터 100% 가동시키는 것으로 가정하였으며, IPL-plasma-UV combined device 구입을 위한 투자비용은 $300,000로 추정하였다. 내용년수는 10년, 세금은 30%로 가정하였다. 그 결과, 남은 감가상각비까지 고려하였을 때 23.94%의 수익률을 보이며, 15% 최저 허용 수익률을 기준으로 $1,207,009의 수익을 내는 것으로 산출되었다. 이로써 해당 교체사업이 수익성이 높아 충분히 투자할만한 가치가 있다고 보였다. 그러나 실제 산업현장에 적용 시에는 예상치 못했던 변수가 생길 수 있으므로, 이 교체사업이 여러 가지 상황에 대하여 얼마만큼 민감성을 가지는지 분석해보았다. Combined system의 노후화로 발생할 수 있는 두 가지 경우를 고려해 보았다. 먼저, 내용년수 마지막 2년간 유지•보수비가 30% 상승하면 처음 투자 계획으로 예상되었던 수익률에 비해 0.025% 감소할 것이며, 순현재가 또한 $7,454만큼 감소할 것이다. 또한, 내용년수 마지막 2년간 공장가동률이 20% 감소하면 처음 투자 계획으로 예상되었던 수익률에 비해 3.835% 감소할 것이며, 순현재가 또한 $628,176만큼 감소할 것이다. 이를 통해 새로 설치된 장비가 일으키는 문제로 인한 생산비용 변화는 수익률의 변화를 어느 정도 야기시킬 수는 있으나 크게 영향을 주진 않지만, 판매액 변화는 경제성에 매우 민감한 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다. 따라서 어느 정도의 자본 투자 및 연구개발비, 유지 및 보수비 등을 감안하더라도 판매량의 향상 또는 유지를 위한 노력이 가장 중요할 것으로 보인다. ;Chapter 1. Construction of IPL-plasma-UV combined system The intense pulsed light (IPL) covers a wide range of wavelengths from ultraviolet to the near-infrared (IR) region (200 to 1100 nm). Powerful lights are provided to the food surfaces in a very short time, destroying the DNA structure or cell wall of microorganism. Plasma, which is also considered to be the fourth state of matter, is a partially or totally ionized gaseous mixture consisting of electrons and ions. The active oxygen or active nitrogen oxidizes cellular proteins, nucleic acids, and lipids as well as the cell membranes of microorganisms, thereby promoting cell aging and death. Ultraviolet irradiation (UV) is a well-known decontamination technology that involves exposure to wavelengths from 100 to 400 nm. Ultraviolet C (UVC, 200–280 nm) is an effective biocidal ray that causes DNA mutations in a similar way to the IPL mechanism. The preceding three are emerging nonthermal sterilization technologies, which are known to have an effective decontamination capability. Therefore, in this study, the sterilization system that combines these three technologies was developed for increasing an inactivation efficacy. The devised combined system aims for mass sterilization and is largely divided into three parts The IPL system of the device consists of two power supplies, two xenon lamps, and a cooling system. When the stored electrical energy is transferred to the lamp, strong light is emitted in pulse form. The power supply used in this study can output up to 5000 V, which results in light energy of up to 2.54 × 10^–1 J/cm^2 per pulse. The plasma system consists of a pneumatic system, four atmospheric-pressure plasma jets, and a cooling system. When electrical current flows between electrodes, gas within the jet is discharged, thereby generating plasma. The cooling system used in the IPL and plasma systems prevents overheating by the lamps and jets. The UV system consists of four UV LED lamps and a magnetic vibratory feeder. The lamps produce both visible rays and UV, emitting 3.17 × 10^-4 J/cm^2/s of light energy. The food is conveyed via the vibrations of feeder by means of microthrowing or sliding. The combined system also comprises three rotary valves, three compressors, three blowers, and three-way valves, which can be adjusted to control the flow rate according to the characteristics of particular food samples. As all of systems are connected to a main controller, a user can choose sterilization system option (IPL-only, plasma-only, IPL-plasma, IPL-plasma-UV) and operation method (manual, semi-auto, auto) through the main controller. As the inside of hopper becomes a vacuum by the compressor, the food at the bottom can be moved to the hopper at the top. The food moves down cyclonically rather than free fall. It enables the food to remain in the hopper for longer so that receive more IPL. To sanitize the device, detachable parts such as valves, pipes, and filters must be removed, cleaned, dried and reassembled. There is a limitation that the combined system is insufficient for some foods′ sterilization. Foods with high in sugar or oil can be stick to the wall of device, and foods with high density or small particle can be difficult to circulate the device. Therefore, for practical applications for these foods, additional studies will be required. This study is expected to contribute to the development and improvement of IPL-plasma-UV combined system.

Chapter 2. Potential of IPL-plasma-UV combined system In recent, granular and powdered foods have been in the spotlight due to its simplicity in consumption and convenience in storage and distribution. Although it may be thought to be safe for microbial contamination because of low moisture content, the high contamination has occurred during production and distribution, as a level of 10^3 to 10^6 CFU/g in commercial products. Also, dry foods are dominated by Salmonella, Bacillus spp., Clostridium perfringens, Cronobacter spp., Shigella, and Staphylococcus, which have strong heat resistance and viability. Thus, the sterilization for granular and powdered foods is very important, and steam, fumigation, and irradiation treatments are generally conducted. They can make physical or chemical properties changes, toxic substances generation, and negative recognition of consumers. Therefore, in this study, the self-designed IPL-plasma-UV combined system to overcome the problems of existing sterilization was applied to sesame seeds, black pepper powder, red pepper powder, and medicinal plants to confirm the biocidal effect. Two-hundred grams of samples were treated for 3, 5, 7, and 10 min varying with voltage of IPL (3000–4200 V), in the range of 6.13–24.44 J/cm^2 IPL fluence. In case of sesame seeds and ground pepper, five-hundred grams were additionally treated for confirming a mass sterilization effect. Maximum 1.33-log reductions were recorded for sesame seeds by combined system, while maximum 1.12- and 0.59-log reductions by IPL-only and plasma-only system. Based on external factors, these results were caused by a combined effect of IPL and plasma, which would have believed that the combined system is much more effective to the biocidal. Furthermore, the inactivation has increased as IPL voltage and treatment time have increased, which can be explained by the increase in the fluences and reactive species received by the samples, making higher damage to microorganisms. Under 0.59-log reductions were achieved in black pepper powder, red pepper powder, ginseng powder, and platycodon powder, while above 0.88-log reductions were achieved in sesame seeds, velvet antler powder and red ginseng powder. These results were caused by the morphology of foods, based on intrinsic factor. The samples with many holes, cracks and crevices, in which the microorganisms can be easily shielded, showed the lower inactivation. The significant changes in color, water activity, and moisture content were found during the treatment. This aspect was also seen in plasma-only system, but not in IPL-only system. Hence, the change in physical properties by combined system was judged to be caused by the heat from plasma generation . Given that no abnormalities were found in the toxic safety analysis, IPL-plasma-UV combined system is considered harmless to the human body. Further delicate studies for improving bactericidal effect and quality changes depending on treatment conditions are needed for practical applications of combined system. For example, installing xenon lamps on both sides of pipe through which the sample travels will increase the surface area of sample receiving IPL, which will also increase the reduction effect. This study is expected to contribute to commercialization of IPL-plasma-UV combined system.

Chapter 3. Economic analysis for IPL-plasma-UV combined system Red ginseng, which is made by steaming and drying ginseng (Panax ginseng C. A. Meyer), is the most beloved health functional food of Koreans, accounting for more than 50% of the total market. It is known to positively impact the human body in various areas, such as immune-boosting, diabetes control, and respiratory diseases prevention. For this reason, as the demand for red ginseng continues to increase, it is consumed as extracts, powders, and tea as well as raw red ginseng. Red ginseng products are generally sterilized with heat over 140 ̊C. However, the heat sterilization causes protein degeneration, gelatinization of starch, browning, and caking. Therefore, in this study, when the self-designed IPL-plasma-UV combined system is applied to the red ginseng powder production to overcome the problems of existing sterilization, it was evaluated that how much economically valuable, or how sensitively in unexpected variables occurrence. The process of red ginseng powder production consists of red ginseng manufacturing, vacuum drying, grinding, and sterilization, with about 19% loss in the entire. The replacement was expected to ease consumer anxiety over the safety of products and increase annual sales as consumer preference improved, increasing daily raw material input by 67% and the working labors. As for production costs, it was predicted that electricity usage would increase, and maintenance and repair costs would increase with the use of consumables such as lamps and plasma jets, more than before. It was also predicted that additional marketing cost and research and development costs would be needed for the new technology. Based on the difference in annual profit before and after the replacement, the cash flow was estimated in consideration of depreciation on equipment purchases and taxes, and discounted cash flow rate of return and net present value (NPV) were calculated accordingly. For the stability of combined system, it was assumed that the plant operation would be gradually increased from 50%, and the investment for purchasing IPL-plasma-UV combined device was $300,000. 10-year service life and 30 % tax rate were assumed. As a result, a return rate of 23.94% over the 10-year service life and an absolute profit of $1,207,009 on a 15% minimum acceptable rate of return basis were achieved. It is believed that the replacement would be highly profitable and worth investing in. However, the unexpected variables could happen in practical application, so the sensitivity of replacement in situations was evaluated. Two possibilities caused by the malfunction of combined system were considered. First, a 30% increase in maintenance and repair costs over the last two years resulted in a reduction of 0.025% return rate and $7,454 NPV compared to the initial plan. In addition, a 20% decrease in operating rate over the last two years resulted in a reduction of 3.835% return rate and $628,176 NPV compared to the initial plan. This has shown that changes in production costs due to problems of installed equipment can cause some changes, but do not have a significant impact on return, while changes in sales volume can impact on return significantly. Therefore, efforts to improve or maintain sales volume are likely to be the most important, even if the investment and production costs are taken into account.