1. 펄스 전기장 살균의 기본 원리

짧은 시간 직류 전압을 걸어주었을 때 이를 직류 펄스 또는 단순히 펄스 전압이라 한다. 미생물은 펄스폭이 1㎲(microsecond) 정도의 매우 짧은 고전압 전기장에 놓이게 되면 세포막이 물리적으로 파괴되어 사멸된다.

펄스폭이 1㎲ 정도로 짧으면 물 중에서 이온의 이동 속도는 전자에 비하여 느리므로 물중의 각종 이온이 전극사이를 이동할 수 없어 지금까지 알고 있던 전기 분해나 전기 영동과 같은 직류 전압 작용과 전혀 다른 현상이 생긴다. 즉 액체 식품 중의 미생물은 순간적으로 높은 전기장에 노출되어 세포막이 파괴된다.

고전압 펄스에 의한 미생물의 살균 메카니즘에 대해서는 여러 가지 이론의 제안되어 있으나 세포내외의 전위차 (transmembrane potential)와 세포막의 압축이론으로 설명할 수 있다. 세포가 강력한 전기장에 놓이게 되면 인지질 이중층으로 구성된 세포막은 이온의 이동에 의하여 극성을 띄게 된다. 지방 이중층(lipid bilayer)은 불량 전기도체이므로 그림 1에 나타낸 것과 같이 세포막 內外의 표면에는 이온이 축척되고 그 결과 transmembrane potential이 유도된다. 만약 외부에서 걸어주는 전계 강도를 증가시키면 유도되는 transmembrane potential도 증가하며, 이 값이 임계값 1V이상이 되면 세포막 내외의 표면에 축적된 반대 전하의 인력에 의하여 세포막은 압축되며, 탄성한계 이상으로 압축되면 세포막은 파괴되거나 구멍이 생겨 파괴된다.

Figure 1. Electroporation of cell membrane due to compression when exposed to high intensity electric fields.

(A) in the absence of electric field E = 0
(B) in the presence of electric field E < Ec
(C) in the presence of electric field E > Ec
(D) in the presence of electric field E >> Ec

Ec represents the critical electric field.

고전압 펄스에 의한 미생물 살균 장치의 기본 원리도는 그림 2 와 같다. 고전압 직류 발생기에 의하여 capacitor가 충전되며, 충전이 완료된 후에 switch를 접촉시키면 capacity에 충전되어 있던 전기 에너지는 전극 사이의 식품을 통하여 순간적으로 방전된다. 여기서 가장 중요한 부분은 고전압 펄스를 발생시키는 pulse generator와 식품을 처리하는 chamber이다.

Pulse generator는 펄스 플라스마 기술의 핵심 장치이므로 이 기술을 이용하여 펄스 전기장 살균 장치를 개발하고자 한다. 식품에 걸어주는 고전압 펄스 전기장의 형태는 1) exponential, 2) square wave, 3) oscillatory 4) biopolar의 여러 가지 형태가 있으며, 현재까지의 연구 결과를 종합하면 square wave가 가장 효과적인 것으로 알려져 있다. .

Figure 2. Square wave pulse generating circuit

펄스 플라즈마 장치의 핵심이라 할 수 있는 펄스 발생 장치를 이용한 非熱 살균장치의 개발은 독일, 미국, 일본 등 기술 선진국에서 1990년대부터 본격적으로 연구되기 시작하였으며, 가열 조작에 의한 에너지 손실을 방지할 수 있고 식품이 변질되지 않는 특징을 가지고 있어 앞으로 실용화가 가장 기대되는 새로운 살균 기술이다.

(1) 에너지 절약 효과 : 펄스 전기장에 의한 살균공정의 에너지 효율은 연구자에 따라 다소 차이는 있으나 현저히 에너지가 절약되는 것으로 보고되고 있다. 미국 Washington 대학의 사과쥬스 살균 공정에 대한 에너지 효율 분석 결과에 의하면 사과 쥬스중의 Saccharomyces. cerevisiae를 6 log 감소(1/1000000)시키기 위하여 전계강도 35 kV/cm∼50 kV/cm, 2∼8 pulse (pulse duration 2.5 ㎲)의 고전압 펄스를 걸어 주었을 때 사과 쥬스의 온도는 22℃∼34℃까지 상승하며, 이 때 에너지 소비량은 28∼62 J/mL인 것으로 보인다.

만약 사과쥬스를 90℃에서 고온 단시간 가열 살균할 경우 열 효율을 100%로 가정하면 360 J/mL가 소요된다. 그러나 가열 살균 공정의 열효율은 40∼50%이므로 실제 소요 에너지는 360∼900 J/mL 범위가 될 것으로 추정된다. 이와 같은 점을 종합해 볼 때 고전압 펄스 살균은 재래 가열 살균에 비하여 1/6∼1/30 정도 에너지가 절약되는 것으로 추정된다.

(2) 고전압 펄스에 의한 액체 식품의 살균 : 고전압 펄스 처리에 대한 기초적인 연구이외 최근 실제 식품에 대한 응용 연구가 추진되고 있다. 미국 Ohio 주립대학의 Zhang 교수 연구그룹은 우유를 살균하기 위하여 3단계의 고전압 펄스 처리가 필요하였으며, 각 단계에서 16 pulse 처리를 하여 2∼3 log 정도의 균수를 감소시켰다. 또한 독일 Berlin 대학의 Knorr 교수그룹의 미발표된 자료에 의하면 초고온 살균한 우유에 Pseudomonas fluorescences를 현탁시키고 7∼22.5 kV/cm 범위의 전기장으로 20 pulse 처리하였을 때 전계 강도를 증가시킴에 따라 최대 4 log 까지 균수를 감소시킬 수 있었다고 보고하였다. 미국 Washington 주립대학의 Barbosa등은 사과쥬스의 초기 Saccharomyces cerevisiae의 농도가 10⁶ cell/mL인 경우에 40 kV/cm에서 10 Hz로 펄스를 반복 처리함으로써 1 CFU/mL까지 감소시킬 수 있었다고 하였다. 또한 Grahl은 우유, 오렌지 쥬스를 고전압 펄스를 이용하여 살균한 결과 미생물에 20 kV/cm 이상의 전기장을 걸어주면 효과적을 사멸시킬 수 있었다고 보고하였다.
일본 君馬大學의 佐藤교수는 맥주 효모를 10⁶ cell/mL정도로 맥아즙과 맥주에 현탁시키고 고전압 펄스 처리를 한 결과 13 kv/㎝ 이상에서 효모가 사멸되기 시작하여 전계강도가 증가함에 따라 비례적으로 감소한다고 하였다. 또한 Lactobacillus brevis를 맥주에 2×10² cell/mL 현탁시키고 전계 강도 20 kv/cm, 체류시간 11분, 450 pulse/min를 걸어 주었을 때 완전히 사멸되었으며, 이 경우 맥주의 품질은 일반적인 성분 분석값 및 시음 test결과 처리 전후에 변화가 없다고 기술하였다.
독일의 Krupp Maschinentechnik GmbH에서는 ELSTERIL이란 펄스 전기장에 의한 살균 공정을 개발하였으며, 동 연구팀과 FML Europe N.V, Berlin 대학과 공동 연구로 연속식 살균 장치를 개발하고 신선한 오렌지 쥬스를 고전압 펄스 처리한 결과 신선한 착즙 쥬스의 품질을 거의 손상시키지 않으면서 쥬스의 균수를 3 log정도 감소시킬 수 있었다고 하였다.

(3) 고전압 펄스 발생 장치 : 미생물 살균에 가장 효과적인 것으로 알려져 있는 square wave pulse를 적용할 경우에는 transmission line의 impedance의 특성과 식품의 저항을 일치시키는 것이 문제이며, 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 특수한 pulse forming network(PFN)를 설계 제작하여야 한다.

고전압 펄스를 이용한 살균 장치의 개발에서 pulse generator로부터 발생되는 펄스를 식품으로 매우 빠르게 방전하는 switching장치가 중요하다. 1990년대 초반까지는 spark gap switch를 주로 사용하였으나, 1995년 미국 OSU의 Zhang등은 thyratron switch를 사용하였다. 미국의 Purepulse사에서는 이 기술을 이용하여 사업화를 목표로하여 Coolpure라는 장치를 개발하기 시작하였다.

(4) 처리용기 디자인 : 고전압 펄스 처리를 위한 chamber는 기본적으로 식품과 접촉하는 2개의 전극과 전극 사이의 간격으로 이루어져 있으며, 식품과 접촉하는 전극 면적에 비하여 전극 사이의 간격이 아주 작아야 한다. 처리 용기에는 기본적으로 static chamber와 continuous chamber의 두가지 형태가 개발되고 있다.

Static chamber는 실험실에서의 기초 연구에 적당하고 pilot plant 또는 상업용 장치 개발을 위해서는 continuous chamber를 개발하여야 한다.

3. 고전압 펄스 살균 장치

고전압 펄스 살균 기술을 개발하기 위하여 exponential pulse wave를 발생하는 bench scale의 고전압 펄스 발생 장치 개발하였고 소규모 pilot 고전압 펄스 처리 장치의 사양과 외형은 그림 3 과 같다.

소규모 pilot 고전압 펄스 살균 장치의 사양

그림 3. 실험실 규모의 고전압 펄스 살균 장치