JP2001501121A - 電磁流体力学による滅菌装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明の目的は、通路または靜的セルを通して行われる、材料の微生物を殺菌するという特定の目的のために、電磁流体力学（ＭＨＤ）を使用することである。上記ＭＨＤセル１６は、その間に、また磁石４２の極の位相から９０度ずれて位置する電極５０、５２を持つ流体を含む通路４８からなる。電流は、流体自身以外の移動部分に直角な流体を通して横方向に送られる。上記の交差電界および磁界は、沸騰している水の内部のイオン速度と等しいか、それより高速なイオン運動を発生する。貫流ＭＨＤ滅菌システム１０においては、材料は、流量トランスジューサ１２を通って流れ、電気伝導度材料コンジットが、有効に滅菌を行うために、システムの能力により制御された流れを規制する。システム・コンピュータ２０は、また制御電源２８に、正しい電位を、上記ＭＨＤセル電極５０、５２に供給するように命令する。靜的セルＭＨＤ滅菌システム６０は、ＭＨＤセル６２を通る通路の一方の端部が閉じている。

Description

【発明の詳細な説明】 電磁流体力学による滅菌装置および方法 発明の分野 本発明は、概して、微生物を除去するための滅菌プロセスに関し、特に電磁流 体力学（ＭＨＤ）セルを使用する滅菌方法および微生物を殺菌するための装置に 関する。 発明の背景 一般大衆および当業者の両方とも、滅菌プロセスの重要性は周知である。滅菌 中の材質を変化させないで、１００％微生物を除去するためには、滅菌プロセス が必要になる。さらに、環境上の理由から、廃液の滅菌はますます重要になって きている。滅菌を必要とする代表的な材料は、食品、薬品、化粧品および医療廃 棄物である。人口密度が高くなり、新しい伝染病が発生しているので、医療廃棄 物の滅菌はますます重要になってきている。 種々の温度プロセス、電気的プロセスおよび／または化学的プロセスを使用す る、非常に種々の滅菌プロセスが使用されている。これらすべてのプロセスは、 いくつかの欠点を持つ。高温を使用する滅菌プロセスは、微生物を殺菌するのに 適当な温度まで、材料を加熱するのにエネルギーを必要とし、滅菌中の材料に影 響を与えるという欠点がある。食品に対する熱プロセスの通常の悪影響は、タン パク質が変質し、ビタミンが減少することである。 電気的滅菌が試用され、特許が与えられてきた。１９３２年６月１４日付の米 国特許第１，８６３，２２２号は、高周波の電気的振動により、食品を滅菌する 方法を開示している。高周波電界を発生するために、真空管オシレータが提案さ れた。処理を受ける材料は、電極間の容器に入れられる。推奨の動作周波数は、 ６０〜６００ＭＨｚである。 エレクトロ・ピュア・プロセスと呼ばれる電気的プロセスが、１９３０年代に 広く使用されたが、このプロセスは１９６０年には人気がなくなった。このプロ セスが使用されなくなった理由は発見できなかった。しかし、多くの新聞は、電 気的滅菌は、微生物の殺菌率が低いという問題を抱えていたと指摘している。さ らに、このプロセスは、胞子を殺菌できないという欠点を持っている。 １９８５年６月１８日付の米国特許第４，５２４，０７９号は、振動する磁界 のパルスで食品を処理することにより、比較的高い電気抵抗を持つ食品を滅菌す るプロセスを開示している。滅菌される材料には、約５〜５００Ｋｈｚの周波数 で、２〜１００テスラの強度のパルスが掛けられる。発明者は、パルスを一回掛 けることにより、振動の振幅の約２段階だけ微生物の数が減少すると主張する。 このプロセスも、また胞子を殺菌できないという欠点を持つ。 発明の開示 最近、本発明者、セドリ Ｊ．グリア ジュニアは、電磁流体力学（ＭＨＤ） の現象を使用して、滅菌プロセスの実験を行った。物理学の当業者なら周知のよ うに、ＭＨＤの場合には、磁界への電界の横方向の導入が同時に行われる。上記 発明者は、前にもこの実験を行っていて、「電磁流体力学によるジオホン」によ り、１９８５年４月１５日付の米国特許第４，５８５，２０７号、および１９８ ８年８月１６日付の米国特許第４，７６４，９０８号を受けている。 ＭＨＤシステムについて引続き実験を行った結果、材料に靜電電界または直流 電界を掛けると、従来技術による結果のどれより優れた滅菌効果があることを発 見した。別の言い方をすると、滅菌経路とその経路を横切って、磁界および電界 を掛けるＭＨＤトランスジューサとを組み合わせて使用すると、材料が有意に滅 菌されることが分かった。微生物は、急速に死滅し、試験を行った結果、滅菌は 事実上１００％完全なものであることが分かった。さらに、振動を与える必要も ない。この発明をユニークなものにしているのは、滅菌に対して磁界および電界 の両方の、予期しない相乗効果があることである。 本発明の物理的現象が、沸騰している水の温度におけるイオンと同じ速度、ま たはそれに近い速度であるイオン速度によるものであることが理論づけられてい る。有機溶液の通常の電気伝導度、１テスラ磁石、および１，０００ボルトの電 圧を使用して、アーカンサス大学の物理学の教授が、本発明者に対して、ＯＨ速 度が沸騰している水（１０³メートル／秒）にほぼ等しいと推定した。 要するに、滅菌するためにＭＨＤセルを使用した場合の相乗効果の一つは、滅 菌中の材料が、材料の温度を上げなくても「沸騰」することである。微生物を殺 菌する他の機構も恐らく発生しているのだろうけれど、この時点では完全には分 かっていない。 実際に実験を行い、その結果を図５のグラフで示す。図は、磁界、電力がより 強力であり、適用時間がもっと長いと、微生物の数が指数的に減少することを示 している。実際の試験においては、胞子はこのプロセスにより１００％除去され た。胞子の滅菌は、任意の滅菌プロセスの水準点と見なされる。 本発明、すなわち、ＭＨＤ滅菌システムは、流体、半流体、半固体または固体 の材料内または上に発生する微生物の数を殺菌する特定の目的のための電磁流体 力学（ＭＨＤ）の特定の使用を含む方法である。 ＭＨＤ滅菌方法は、通路または靜的セル内で材料を滅菌するために、電磁流体 力学効果を使用する。ＭＨＤセルは、磁石の両極の間に位置する電極を持つ流体 を含む通路からなる。電流は、磁界に直角に流体を横切る方向に送られる。上記 システムは完全に密封され、流体自身以外には何も移動するものはない。交差す る電界および磁界は、沸騰している水の中に存在するイオン速度に等しいか、そ れより速いイオン運動を引き起こす。他の現象と共に、上記速度が流体内に存在 するかも知れないすべての微生物を殺菌することが理論的に証明されている。 「貫通通路」または貫流ＭＨＤ滅菌システムにおいては、流量を測定するため の速度トランスジューサ、および材料の電気伝導度を測定するための電気伝導度 トランスジューサを通して、材料が流れる。流れ制御弁は、材料コンジット内に 位置していて、システム・コンピュータにより制御される。上記弁の目的は、流 れが、効果的に滅菌を行うシステムの能力を超えないようにすることである。 上記システム・コンピュータは、流量測定値と電気伝導度測定値とを比較し、 制御電源に、ＭＨＤセル電極に対して正しい電圧を加えるように命令する。 貫流ＭＨＤセル内に存在する材料は、完全に滅菌され、人間または動物がすぐ に食べられるように、または環境で安全に処理できるようにしなければならない 。 靜的セルのＭＨＤ滅菌システムにおいては、材料は孔の開いたプラスチック・ ストレーナに入れられ、薄い塩溶液で満たされた端部が閉じているＭＨＤセル内 に釣り下げられる。ＭＨＤセルが活動した場合に、流体が急増できるように、セ ルの頂部には空間が残っている。 電気伝導度の測定は、電気伝導度トランスジューサにより行われる。システム ・コンピュータは、電気伝導度の測定値を評価し、制御電源に、滅菌が確実に行 われ適当な時間の間、ＭＨＤセル電極に正しい電位を供給するように命令する。 上記コンピュータは、滅菌プロセスが終了した場合には、音響および／または視 覚的手段で、オペレータにそれを知らせる。オペレータは、その後、孔部の開い たプラスチック・ストレーナを引き上げて、滅菌中の材料を除去することができ る。 図面の簡単な説明 以下の図面は、本明細書の一部を形成するものであり、本発明の理解を助ける ためのものである。いくつかの図面においては、可能な限り、類似の部品には類 似の参照番号を使用している。 図１は、好適な電磁流体力学による滅菌貫流タイプのシステムの部分的な略図 である。 図２Ａは、好適な電磁流体力学による貫流タイプのセルの拡大部分等角図であ る。 図２Ｂは、好適な電磁流体力学による貫流タイプのセルの拡大断面図である。 図３は、好適な電磁流体力学による貫流靜的タイプのセルの部分的略図である 。 図４は、好適な電磁流体力学貫流による靜的タイプのセルの拡大断面図である 。 図５は、本発明のコンセプトを使用する実験の実際の結果を示すグラフである 。 本発明の最良の実施の形態 始めに図１について説明すると、参照番号１０は、貫流ＭＨＤ滅菌システムに 対する本発明の最良の方法全体を示す。本明細書に開示する構成は、種々の形を とることができるが、最初に、最良であると思われる方法を以下に開示する。 理想的には、上記システムは、ＭＨＤ貫流セル１６に接続している入口コンジ ット・ライン１４に設置されている流量トランスジューサ１２からなることが好 ましい。滅菌される材料の流れは、矢印３８および４０で示す。流量トランスジ ューサ１２と、ＭＨＤ貫流セル１６の間には、電気伝導度トランスジューサ１８ が設置されている。電気伝導度トランスジューサ１８、および流量トランスジュ ーサ１２の両方とも、入口コンジット・ライン１４を通して流れる材料の流れを 制限しない。流量トランスジューサ１２、および電気伝導度トランスジューサ１ ８からの出力信号は、中央処理装置（ＣＰＵ）２０に電気的に接続している。Ｃ ＰＵ２０は、電気的にライブ電圧３４に接続している。電気的に作動する流量制 御弁２２は、出力コンジット２４内に装着されていて、ＭＨＤ貫流セル１６を貫 流する材料の流れの量を規制する。流量制御弁２２は、弁コントローラ２６に電 気的に接続している。弁コントローラ２６は、流量トランスジューサ１２、およ び電気伝導度トランスジューサ１８からの出力信号に基づいて、ＣＰＵ２０から 信号を受信する。制御電源２８は、弁コントローラ２６およびＭＨＤ貫流セル１ ６に電力を供給する。制御電源２８は、ライン電圧３４からその電力を受け取る 。電気ケーブル３０および電気ケーブル３２は、制御電源２８からＭＨＤ貫流セ ル１６へ直流の電力を送る。弁コントローラ２６は、ＭＨＤ貫流セル１６を通る 流体が、正確なレベルになるように弁を十分に開閉する。弁コントローラ２６は 、ＣＰＵ２０から受け取る電気信号により制御される。 流量制御弁２２は、流量トランスジューサ１２により測定した材料の流れに対 して、電気伝導度トランスジューサ１８により測定した、材料の電気伝導度が不 十分でない限りは、完全に開いたままの状態でいる。 理想的な動作条件の下では、材料の電気伝導度は十分であり、ＣＰＵ２０は制 御電源２８に電気的信号を送る。制御電源２８は、その後、電気的ケーブル３０ および３２の間の電圧を規制する。ＣＰＵ２０は、また弁コントローラ２６に電 気的信号を送り、弁コントローラは、電気的ケーブル３０および３２の間の最大 電圧が、全部の微生物を殺すことができるようなレベルまで、材料の流れる速度 を低下させるために流量制御弁２２を絞る。 滅菌がＭＨＤセルにより行われるために、ＭＨＤ貫流セル１６の両端の圧力を 十分に上昇させれば、滅菌システムを十分に作動させることができる。このよう なことができるのは、変位の方向に垂直に、通路を横切って十分な交差電界、お よび磁界を掛けることができるので、電磁流体力学の効果により流体を運動させ ることができるからである。 図２Ａおよび図２Ｂについて同時に説明すると、ＭＨＤ貫流セル１６は、通路 ４８を通る材料の流れの方向にほぼ垂直に延び、その電極４４および４６を横切 って磁界を発生する、硬質でほぼＣ字形の高性能の永久磁石または電磁石４２を 備える。 ＭＨＤ電極５０および５２は、図に示すように、通路４８の頂部および底部上 に設置されていて、通路４８の頂部および底部に形成されている適当なスロット に永久に固定されている。これらの電極は、電極５０および５２、並びに磁極４ ４および４６の間の通路４８の上記部分を囲んでいる、管状の被覆５４により、 磁極４４および４６の間の磁石の正しい位置に固定されている。電圧、すなわち 、電界が、これらの電極を横切って掛けられる。この電界は、磁極４４および４ ６の間に存在する磁界に対して、垂直な方向を向いている。さらに、磁界および 電界は、両方とも、通路４８の材料の流れの方向に垂直な方向を向いている。殺 菌は、（ほぼ１０³メートル／秒）の高速のイオン速度を発生する交差電界およ び磁界により行われる。このような構造になっているので、磁極４４および４６ の間の磁界は、好適には、１〜５テスラの範囲内であることが好ましい。高性能 滅菌に必要な電圧は、１００〜１，０００ボルトである。 図３および図４について説明すると、参照番号６０が、本発明、靜的セルＭＨ Ｄ滅菌システムの最適な実施方法全体を示す。 理想的には、上記システムは、靜的ＭＨＤセル６２からなることが好ましい。 この靜的セルＭＨＤ６２の構造は、端部を下にして設置されていること、および 通路が閉鎖されていることを除けば、貫流ＭＨＤセル１６の構造に類似している 。上記靜的ＭＨＤセルは、一つの端部が開いている通路６８の、対向側面上に電 極６４および６６を持つ。電極６４および６５の間の磁界に、垂直に磁界を発生 するために、大きなＣ字形の永久磁石または電磁石７２が設置されている。作動 流体７０が、通路６８の一部を満たしている。靜的セルが小型のバッチ流体滅菌 に使用されていない限り、作動流体７０は薄い塩溶液である。通常、医療器具の ような滅菌される材料は、作動流体７０に入れられる。金属構成部材が電極に触 れるのを防止するため、また滅菌中の固体材料を容易に除去できるように孔の開 いているプラスチック・ストレーナ８６が設置されている。 ソリッド・ステート信号コンディショナ７４は、作動流体７０の電気伝導度を 測定するために、電気伝導度トランスジューサ８８に電気的に接続している。コ ンディショナ７４の出力は、中央処理装置（ＣＰＵ）７６に電気的に接続してい る。ＣＰＵ７６は、通常、ライン電圧３４に電気的に接続している。靜的ＭＨＤ セル６２の電極６４および６６に直流電圧を供給するために、制御電源７８が設 置されている。制御電源７８は、ライン電圧３６からその電力を受け取る。電気 ケーブル８０および電気ケーブル８２は、制御電源８０から靜的ＭＨＤセル６２ の電極６４および６６に電力を送る。 動作条件の下で、ＣＰＵ７６は、信号コンディショナル７４から受信した信号 により流体の電気伝導度を監視する。ＣＰＵ７６は、その後、制御電源７８に電 気信号を送り、制御電源７８は、電気ケーブル８０および８２の間の電圧の電位 を規制する。ＣＰＵ７６は、滅菌プロセスが終了したことをオペレータに知らせ るために、音響および／または視覚的アラームを発生する。電圧の電位および電 圧を掛けていた時間は、靜的ＭＨＤセル６２の既知の磁石の強さおよび作動流体 ７０の電気伝導度により、全部の微生物を殺菌するのに必要な数値に対応する。 殺菌は、（ほぼ１０³メートル／秒）の高速のイオン速度を発生する交差電界お よび磁界により行われる。このような構造になっているので、磁界は、好適には 、１〜５テスラの範囲内であることが好ましい。高性能滅菌に必要な電圧は、１ ００〜１，０００ボルトである。 滅菌はＭＨＤセルにより行われるので、靜的ＭＨＤセル６２の頂部で急激な増 大用の区域８４を設けることができる。この区域が必要なのは、変位の方向に垂 直に通路を横切って十分な交差電界、および磁界を掛けることにより、電磁流体 力学の効果により流体を運動させることができるようにするためである。 図１および図３に示す制御回路は、現時点で知られている最良の方法であるこ とを理解されたい。しかし、現在も実験は継続して行われているので、上記回路 の変更が行われることも考えられる。電子技術の当業者なら理解することができ ると思うが、類似の結果を得るのに、種々の異なるアプローチを使用することが できる。 産業上の適用性 本発明の目的および利点により、下記のことを行うことができる。 （ａ）広い範囲の材料に、急速に経済的に使用することができる滅菌プロセス の提供。 （ｂ）処理中の材料への核放射線、マイクロ波エネルギー、有意の熱または殺 菌化学薬剤の使用を含まない滅菌プロセスの提供。 （ｃ）食品のビタミンおよび栄養素の減少のような有害な副作用を含まない滅 菌プロセスの提供。 （ｄ）医療廃棄物および獣医廃棄物を処理することができるシステムおよび特 性の提供。 （ｅ）水の再生および浄化を助けるために、廃水を経済的に滅菌することがで きるシステムの提供。 （ｆ）肉、鳥肉食品および酪農食品を処理することができるシステムおよび特 性の提供。 （ｇ）熱および／または電解質を発生する電気だけまたは磁気だけの場合の欠 点の克服（ＭＨＤを使用すると、目に見える程の量の熱エネルギーを発生しない でエネルギーを流体に変化させる）。 上記説明から、本発明が、この構造体に固有な他の利点と共に、本明細書に記 載した、上記のすべての目標および目的を達成するのによく適応したものである ことを理解することができるだろう。 上記説明は、多くの仕様を含んでいるが、これらの仕様を、本発明の範囲を制 限するものであると解釈すべきではない。それどころが、上記仕様は、本発明の 好適な例示としての一実施形態に過ぎない。例えば、流体の原動力だけは失って も、滅菌効果は持っている状態で、必要なイオン速度を発生するために、交流お よび脈流をＭＨＤ電極を横切って適用することができる。滅菌に使用されるＭＨ Ｄセルに電力を供給することができる多くの制御回路を構成することができる。 従って、本発明の範囲は、例示としての実施形態により決めるべきではなく、 添付の請求の範囲およびその法的等価物により決めるべきである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．電磁流体力学セルを通して材料を流すことにより前記材料を滅菌する方法 であって、 滅菌中の材料が通る通路と、 前記通路にほぼ垂直に適当な磁界を発生するための手段と、 前記磁界および前記通路にほぼ垂直に適当な電界を同時に発生するための手段 とを備える方法。 ２．請求項１に記載の材料を滅菌する方法において、適当な磁界を発生するた めの前記手段が永久磁石である方法。 ３．請求項１に記載の材料を滅菌する方法において、適当な磁界を発生するた めの前記手段が電磁石である方法。 ４．請求項１に記載の材料を滅菌する方法において、適当な電界を発生するた めの手段が、前記通路に沿って軸方向に相互に対向して延び、前記適当な磁界の ほぼ全長にわたって延び、前記通路の半径方向に延びる外壁部に沿って位置し、 電源手段により発生した電位を相互に持つ二つの電極からなる一組の電極を備え る方法。 ５．請求項１に記載の材料を滅菌する方法において、さらに、前記材料の電気 伝導度を監視するための手段と、 前記材料を確実に滅菌するために、前記材料の電気伝導度を監視するための前 記手段に応じて、前記適当な電界を規制するための手段とを備える方法。 ６．請求項１に記載の材料を滅菌する方法において、さらに、前記材料の電気 伝導度を監視するための手段と、 前記材料の流速を監視するための手段と、 前記材料の流速を規制するための手段と、 前記材料の電気伝導度を監視するための前記手段、および前記材料を確実に滅 菌し、前記電磁流体力学セルの最大有効滅菌流速を超えないように、材料の流速 を監視するための前記手段に応じて前記適当な電界を規制するための手段とを備 える方法。 ７．電磁流体力学滅菌セルを備える材料を滅菌するための装置であって、 一方の端部が閉じている、滅菌される材料が通る通路と、 前記通路にほぼ垂直に磁界を発生するための手段と、 前記磁界および前記通路にほぼ垂直に電界を同時に発生するための手段とを備 える材料を滅菌するための装置。 ８．請求項７に記載の材料を滅菌する装置において、適当な磁界を発生するた めの前記手段が、永久磁石である装置。 ９．請求項７に記載の材料を滅菌する装置において、適当な磁界を発生するた めの前記手段が、電磁石である装置。 １０．請求項７に記載の材料を滅菌する装置において、電界を発生するための 前記手段が、前記通路に沿って軸方向に相互に対向して延び、前記磁界のほぼ全 長を延び、前記通路の半径方向に延びる外壁部に沿って位置し、電源手段により 発生した電位を相互に持つ、二つの電極からなる一組の電極を備える装置。 １１．請求項７に記載の材料を滅菌する装置において、さらに、前記材料の電 気伝導度を監視するための手段と、 前記材料を確実に滅菌するために、前記材料の電気伝導度を監視するための前 記手段に応じて、前記電界を規制するための手段とを備える装置。