JP4547186B2 - 殺菌装置 - Google Patents

Description

本発明は、微生物の検出および選択的滅菌、殺菌方法および装置に関する。

伝染病などの感染症を防止するための衛生管理は医療分野にとどまらず、広く一般社会において注意が払われている。例えば、風邪予防などのためにうがいや手洗いの慣行などもその一端である。食品加工などの現場では特に厳格な衛生管理が施されている。例えば、製品を加熱、消毒、加圧、通電などの処理を通していわゆる殺菌を行っている。

これらはいずれも、感染症や食中毒の原因となるウイルスやバクテリア（細菌）、真菌などの微生物を除去するためのものである。例えばミネラルウォーターを殺菌するためには、加熱殺菌、フィルタ除菌、オゾン殺菌、紫外線除菌などが一般的に行われており、また上水道水に対しては塩素消毒が用いられている。栄養価が高く細菌の繁殖しやすい牛乳の殺菌においては、６２−６５℃・３０分以上の加熱を行う低温保持式殺菌法（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｌｏｎｇ Ｔｉｍｅ Ｐａｓｔｅｕｒｉｚａｔｉｏｎ，ＬＴＬＴ法）、７２℃・１５秒以上の加熱の高温短時間殺菌法（Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｈｏｒｔ Ｔｉｍｅ ｍｅｔｈｏｄ，ＨＴＳＴ法）、１２０−１５０℃・１−３秒以上で加熱を行う超高温加熱処理法（Ｕｌｔｒａ Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｈｅａｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ，ＵＨＴ法）などが用いられており、同様の加熱殺菌は果汁飲料や酒類などにも用いられている。

生体を構成する有機高分子などは、分子内の原子間結合あるいは分子間結合の固有振動周波数をテラヘルツ周波数帯に持っている。周波数を掃引してテラヘルツ波を対象に照射し、その反射波あるいは透過波を検出することにより、その吸収特性から微生物の存在及び種類の同定を行える。

この固有振動周波数テラヘルツ波をコヒーレント光として外部から照射すれば、その結合のみを選択的に励起させることができる。このテラヘルツ波を高強度にすれば、その結合はやがてエネルギー過剰で切れることになる。この過程はつまり、意図する分子中の意図する結合のみに選択的にエネルギーを与え、分子構造変化あるいは分子構造破壊を行うことができるということを意味する。

ウイルスやバクテリア（細菌）などの微生物は目に見えず、人間の注意によって対応するには限界がある。また、食品加工分野で行われる加熱、加圧、通電などの殺菌方法では細菌のみならず、たとえばビタミンなどの栄養成分や風味、香味の成分までも分解することになり、品質劣化をもたらす。消毒剤などの薬剤を用いた化学的殺菌法では、タンパク質の凝固、菌体成分の酸化や重金属塩の形成などによって殺菌するものであるが、食品に残留する薬剤の影響が懸念される。

電磁波を照射する殺菌法としてはマイクロ波を用いた加熱法があるが、これは殺菌対象中に含まれる水分子に電磁波を吸収させ加熱することによるもので、対象全体を加熱すると言える。これに対し本発明のテラヘルツ波照射する方法では、対象全体ではなく、対象中の例えば細菌のみを選択的に加熱し、殺菌することができる。

テラヘルツ波発生装置は、任意の周波数のコヒーレントなテラヘルツ波を高出力で提供することができる。

生体単体が小さく、構成分子数が少ないウイルスやバクテリア（細菌）、真菌などの微生物では、テラヘルツ波吸収の周波数依存性から微生物の存在及び種類の同定を行える。

また、特定の微生物にのみ吸収の強い周波数（共振周波数）のテラヘルツ波を、高エネルギーで対象に照射すれば、その他の部分には影響を与えず、その微生物に選択的に熱エネルギーを伝えることができ、局所的に加熱することになるので微生物は死滅する。

つまり本発明によれば、テラヘルツ波発生装置によって発生するテラヘルツ波により、病原体ウイルスやバクテリア（細菌）、真菌などの微生物を局所的に温度上昇させ、正常な部分に影響を与えずに死滅させることができる。

このことは例えば医療現場の手術室内や半導体工場などのもともと無菌に近い環境から、戸外や人の出入りの多い公共機関など比較的劣悪な衛生環境まで、さまざまな環境において衛生評価および浄化することができる。

特に食品加工分野では、栄養や香味・風味を損なうことなく殺菌された加工食品を提供することができる。

水産部門において、魚類に栄養となる有効なプランクトンに影響を与えず、例えば赤潮の原因となる有害なプランクトンを選択的に死滅させることができる。

医療分野において、真菌由来の病気に対しては正常組織に影響を与えることなく治療を行うことができる。

テラヘルツ波発生装置として、ＧａＰ結晶中のフォノンポラリトンモードを利用した差周波の発生装置がある。これは任意の周波数のコヒーレントなテラヘルツ波を大出力かつ高分解能で発生させることができる。

病院の手術室や半導体工場のクリーンルームなどの無菌室で、残存する細菌やウイルスを検出する際にテラヘルツスペクトル測定が有効である。図１（ａ）に示すように、上記テラヘルツ波発生装置１を用いて発生テラヘルツ波２の周波数を掃引しながら、測定および作用対象３照射する。測定および作用対象３は、微生物を含む壁、床、天井あるいは空間などのことである。その反射テラヘルツ波４あるいは透過テラヘルツ波を、例えばボロメータやＤＴＧＳのようなテラヘルツ検出器５を用いて検出することにより、その吸収特性の周波数依存性、つまりテラヘルツ吸収スペクトル図１（ｃ）が求まる。このスペクトルから細菌やウイルスなどの微生物の存在を確認、同定することができる。微生物などの物体は必ずしも同定する必要はないが、その微生物が特に吸収するテラヘルツ周波数、つまり共振周波数を求める。

このテラヘルツ波が周辺の物質では吸収されにくい周波数であれば、図１（ｂ）に示すように、テラヘルツ波発生装置１を用いて、上記手順で求めた最適周波数をもつ発生テラヘルツ波６を測定及び作用対象物３に例えば１００ｍＷで照射すると、微生物でのみ選択的に吸収されることになるので、局所的に加熱されることになり微生物を死滅させることができる。つまり選択的な殺菌が可能となる。

あるいは、この殺菌処理の後に再び図１（ａ）の手段でテラヘルツ吸収スペクトル図１（ｃ）を観測すれば、殺菌効果の確認をすることもできる。

もちろん無菌室のみならず、通常の部屋や空間、あるいは屋外においても同様の微生物検出や殺菌プロセスが可能であり、空間や物体の浄化、あるいは手洗いなどの生体の浄化にも適用することができる。

微生物が原因となる病気は風邪や食中毒のような一般的なものから、コレラやエイズなど難病まで広く存在している。病気の原因となる微生物として、例えばウイルスではインフルエンザウイルス、日本脳炎ウイルス、ヘルペスウイルス、コロナウイルス、ＨＩＶウイルス、エボラ出血熱ウイルスなどがある。また細菌では大腸菌、サルモネラ菌、コレラ菌、百日咳菌、結核菌、黄色ブドウ球菌、レンサ球菌、ヘリコバクターピロリ菌などがあり、真菌では白癬菌、カンジダ菌、アスペクギルス菌などがある。

例えば、皮膚病の水虫やインキンタムシを治療するためには、その原因菌である白癬菌を殺菌することが有効である。従来の治療法は薬品塗布が一般的であるが、図２のようにテラヘルツ波発生装置１を用いて最適周波数を持つ発生テラヘルツ波６を皮膚などの人体部位１０に照射すれば、患部組織１１にのみ有効に働き、直接病原菌を破壊することが可能となる。

ご飯やパンなど栄養価の高い食物は細菌や真菌が繁殖しやすく、食中毒などの病原菌となる。カビなどの真菌を検出をするために、テラヘルツスペクトル測定およびイメージング測定が有効である。例えば発生する可能性のあるカビＡ，Ｂ，Ｃが３種類ある場合、それぞれのスペクトルが図３（ａ）のようにとなる。すなわち菌Ａではａの周波数で吸収が大きく、ｂ，ｃの周波数では吸収がない。同様に菌Ｂではｂの周波数で、菌Ｃではｃの周波数でテラヘルツ波の吸収が見られる。このような対象を見る場合、発生テラヘルツ波をａの周波数に固定し、発生テラヘルツ波の照射方向を空間的に掃引し、その反射テラヘルツあるいは透過テラヘルツ波を検出すれば、各場所におけるテラヘルツ強度の差から、特定周波数におけるテラヘルツイメージング像が得られる。ａの周波数で検出されれば菌Ａが、ｂの周波数で検出されれば菌Ｂが、ｃの周波数で検出されれば菌Ｃが検出されることになり、それぞれの空間的分布も求まる。

図３（ｂ）のようにテラヘルツ波発生装置１を用いて、検出された菌が吸収する最適周波数のテラヘルツ波６を食品などの殺菌対象２１に照射すれば、それぞれの菌のみ選択的に殺菌することができる。ここで、殺菌処理を高速化するためにテラヘルツ波を大面積に照射するのに、ポリエチレンなどで作成した凹面レンズ２０を用いてテラヘルツビームを拡散してもよい。

果汁飲料や牛乳、酒類などの飲料を含む液状食品は、多くの場合糖類を多量に含むなど栄養価が高いために細菌が繁殖しやすく、その殺菌処理が非常に重要である。しかしながら通常の加熱処理では、例えば果汁飲料中のビタミンやカロチンなどの栄養成分まで分解されてしまう。同様にその他の液状食品も栄養成分が分解されたり、風味成分、香味成分まで分解されてしまう。特に酒類では加熱を用いずに殺菌することができれば、風味を落とさないいわゆる生酒を流通させることが容易にできるようになる。図４に示すように第１番目の槽３０から第２番目の槽３１の間をポンプ３３によって汲み移す間の流体経路３２で、いわゆる腐敗菌と総称される大腸菌や乳酸菌など特定の細菌の共振周波数にあたり、かつ酵母などの熟成に必要な菌や栄養成分、風味成分、香味成分には影響を与えない周波数を持つ、テラヘルツ波発生装置１を用いて最適周波数テラヘルツ波６を照射すれば、品質劣化を免れつつ殺菌することができる。このときテラヘルツ波を対象を十分透過するようにしなければ殺菌は十分とならない。このため、整流装置３４を設け、対象を流体を１００μｍ程度に薄くするとともに、流速を調整することもある。ポリエチレン凹面レンズ２０は、殺菌処理を高速化するために発生テラヘルツ波６を大面積化している。

魚などの水棲生物の飼育や養殖において、水質の浄化は重要である。水質の汚染は化学物質の混入によるものや、バクテリアの異常増殖によるものなどがある。例えば、赤潮などは主に珪藻類、渦鞭毛藻類、ラフィド藻類などの海洋性植物プランクトンが増殖し、プランクトンが出す物質（不飽和脂肪酸、活性酸素等）が魚類のエラの機能を麻痺させるなどして、水域の生物に被害を与えるものと言われている。

図５のように水族館などの水槽４０で水４１が、ポンプ４３を用いて流路４２を通り循環される際に、テラヘルツ波発生装置１を用いて、特定の有害プランクトンに対する共振周波数となるテラヘルツ波６を循環水に照射すれば、有害なプランクトンのみを選択的に除去することができ、例えば魚の餌となるようなプランクトンには影響を与えない。
尚、殺菌作用を効果的にするために整流装置４４を設け、水４１を１００μｍ程度に薄くするとともに、流速を調整している。また、ポリエチレン凹面レンズ２０は、殺菌処理を高速化するために発生テラヘルツ波６を大面積化している。

観賞用水槽内や活魚輸送用水槽内などの水の浄化や、養殖業などでは赤潮の発生予防や処理に利用可能である。

（ａ）反射テラヘルツ波による細菌の検出、（ｂ）テラヘルツ波照射による殺菌、（ｃ）細菌によるテラヘルツ吸収スペクトルを示す図である。 テラヘルツ波照射による病原菌の殺菌を示す図である。 （ａ）３種のカビＡ、Ｂ、Ｃによるテラヘルツ吸収スペクトル、（ｂ）テラヘルツ波照射による食品の殺菌を示す図である。 テラヘルツ波照射による液状食品の殺菌を示す図である。 テラヘルツ波照射による水槽中の水の殺菌を示す図である。

符号の説明

１…テラヘルツ波発生装置
２…発生テラヘルツ波
３…測定および作用対象
４…反射テラヘルツ波
５…テラヘルツ検出器
６…最適周波数をもつ発生テラヘルツ波
１０…人体部位
１１…患部組織
２０…ポリエチレン凹面レンズ
２１…殺菌対象
３０…第１番目の槽
３１…第２番目の槽
３２…流体経路
３３…ポンプ
３４…整流装置
４０…水槽
４１…水
４２…流路
４３…ポンプ
４４…整流装置

Claims (3)

1. 周波数を掃引可能なテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生装置と、
   前記テラヘルツ波の周波数を掃引して対象物に照射し、前記対象物から反射した反射テラヘルツ波、又は前記対象物を透過した透過テラヘルツ波を検出するテラヘルツ検出器と、
   該テラヘルツ検出器の出力から、前記対象物の前記テラヘルツ波の吸収スペクトルの情報を取得するスペクトル取得手段
   とを備え、前記対象物に目的とする細菌類が含まれない場合の吸収スペクトルと前記対象物に前記細菌類が含まれる場合の吸収スペクトルの比較から、前記対象物に含まれる前記細菌類に固有のテラヘルツ波の周波数を選択し、該選択された周波数を有するテラヘルツ波を、前記対象物に含まれる前記細菌類に照射し、テラヘルツ帯に吸収スペクトルを有する前記細菌類を選択的に殺菌あるいは滅菌することを特徴とする殺菌装置。
2. 前記選択されたテラヘルツ波の周波数に固定し、前記テラヘルツ波の照射方向を空間的に掃引する手段と、
   空間的に掃引された前記テラヘルツ波の前記対象物から反射した反射テラヘルツ波、又は前記対象物を透過した透過テラヘルツ波を前記テラヘルツ検出器で検出し、前記対象物の各場所におけるテラヘルツ強度の差から、前記選択されたテラヘルツ波の周波数における前記細菌類の空間分布を示すテラヘルツイメージング像を取得するメージング像取得手段
   とを更に備え、前記テラヘルツイメージング像から前記対象物中の照射すべき特定の位置を決定し、前記特定の位置に前記選択されたテラヘルツ波を照射して、前記特定の位置の前記細菌類を殺菌あるいは滅菌することを特徴とする請求項１に記載の殺菌装置。
3. 前記対象物としての流体を、前記テラヘルツ波が透過する厚さに薄くする整流装置を更に備え、該整流装置中を流れる前記流体に含まれる前記細菌類を選択的に殺菌あるいは滅菌することを特徴とする請求項１に記載の殺菌装置。

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