JP2005192574A - Gas sterilization method - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide high-speed non-residual sterilization by low-concentration sterilization gas by applying multiphase AC discharge plasma to a conventional gas sterilization method using sterilization gas such as ethyleneoxide gas. <P>SOLUTION: This gas sterilization method comprises a pretreatment process of supplying gas including oxygen element to a low-pressure sterilization chamber and generating plasma; a sterilization process of supplying the sterilization gas to the low-pressure sterilization chamber; and a posttreatment process of supplying the gas including the oxygen element to the low-pressure sterilization chamber again and generating the plasma; and is provided with a process of leaving a sterilization object material in the low-pressure plasma gas atmosphere including the oxygen element to extremely improve chemical reaction of the sterilization object material surface and enable the high-speed sterilization by the sterilization gas such as low-concentration ethyleneoxide gas. This method is also provided with a process of diffusing and adsorbing the sterilization gas such as the low-concentration ethyleneoxide gas in a short period of time and sterilizing the object, and a process of sequentially adsorbing it under the low-pressure plasma gas atmosphere including the oxygen element and resolving and eliminating the sterilization gas such as residual ethyleneoxide gas to enable the high-speed sterilization, a high-speed decontamination of the sterilization gas such as hazardous ethyleneoxide gas and the non-residual sterilization. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

ホルムアルデヒドの場合：
【数２】

但し、二酸化炭素や水蒸気はプラズマ中において、一酸化炭素、酸素および水素に容易に解離され得る。
ここで、処理時間は全工程（酸素元素を含むガス雰囲気におけるプラズマ前処理工程20分程度、酸化エチレンガスなどの滅菌ガスによる滅菌処理工程20分程度、酸素元素を含むガス雰囲気におけるプラズマ後処理工程5分程度）で１時間程度である。
【０００９】
また、低濃度の酸化エチレンガスなどの滅菌ガスを使用することにより、酸化エチレンガスなどの滅菌ガスが装置外へ漏洩した場合における爆発の危険性や漏洩ガスの毒性の低減化を可能にした。
また、滅菌工程で使用済みの低濃度の酸化エチレンガスなどの滅菌ガスを真空ポンプにより排気する過程で、滅菌ガスを水の中に通すことにより、水と酸化エチレンガスなどの滅菌ガスを反応させ水溶性のエチレングルコールやホルマリンにし、水の中へ滅菌ガスを吸収・回収することを可能とした。大気中（環境）へ有害な滅菌ガスは放出されないので、環境は汚染されない。
酸化エチレンやホルムアルデヒドと水との反応式を以下に示す。
【数３】

【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１１】
図１と図２に、本発明を実施したガス滅菌装置の部分横断面図（図２のＡ−Ａ´面）と部分縦断面図（図１のＢ−Ｂ´面）を示す。
ガス滅菌装置は、円筒状の真空容器１の内壁に絶縁シート２を介して12枚の断面円弧状の分割電極３を密着して固定する。
分割電極３は、真空容器１の長さ方向に沿って僅かな間隙ａをあけて円周状に配列する。
【００１２】
真空容器１の外周は二重管４で形成し、放電時に冷却水を流して内壁に密着する12片の分割電極３を冷却する。
真空容器１の内側には、軸心に沿って円筒状のメッシュ籠５を挿入し、その中に被滅菌物６を入れる。
また、真空容器１の一方の端部に受電端子７とガス注入口８を設け、他方にはガス圧力計９を取り付ける。
【００１３】
受電端子７は、図３に示す対称12相交流電源10に接続する。
このとき、対称12相交流電源10の各相成分を真空容器１内壁（内径100mm、長さ〜500mm）に貼られた12枚の分割電極３へ接続する。
更に、対称12相交流電源10の中性点ｂを同心円状に挿入されたメッシュ籠５（内径〜50mm, ステンレス20メッシュ）へ接続する。
但し、中性点ｂはアースされず浮遊電位に保たれる。これは、電位差が各分割電極３とメッシュ籠５および分割電極３間のみで生じるようにするためである。
電極番号が円周方向に右回りに付けられ、対応する番号を持つ相電圧が各分割電極３へ給電される。
これにより、位相が1／12周期ずつずれていて振幅が同じ大きさの対称12相交流電流が12枚の分割電極３に供給される。
主放電は各分割電極３と中性点電位のメッシュ籠５間で生じ、時間とともに位相の遅れる方向に移動し、1秒間に電源周波数(60[Hz])だけ回転する。放電によって生成されたプラズマは、メッシュ籠５のメッシュを通し同心円状に中心に向かって中に入射する(拡散する)。
多相交流放電によるプラズマ生成法は、次のような特徴を持つ。
(a)低周波にも拘わらず放電休止の無い、時間変動の小さい直流的なプラズマの生成が可能。
(b)位相が異なる複数の電極に電力が時間分割的に分散給電され、時間平均的に広範囲の空間領域へ均一なプラズマの生成が可能。プラズマが電源周波数で回転しながら生成される。
(c)周波数が低いので電源を低コストで大容量化が容易。大体積のプラズマを低コストで生成可能。
【００１４】
ガス注入口８は、図４に示すガス供給装置11のガス供給管12に接続する。
ガス供給装置11は、ヘパフィルタ（HEPA:High EfficieNcy Particle Air filter、0.3μmの粒子の捕集率が99.97％以上のフィルタ）13とシリカゲルを充填したエア乾燥管14を通して雑菌・水分が除去された無菌の乾燥空気を真空容器１内に導入する。
一定量の空気を流入させて真空容器１内のガス圧力を一定にする時は、排気側の真空バルブ（図示しない）を閉め切らず、フローメータ15の付いている側から空気を導入する。このとき、プラグバルブＶ１を開いてプラグバルブＶ２を閉じる。
酸化エチレンガスは、液体の液化酸化エチレン16を一度気化器17に導入し室温でガス化してから真空容器１内へ導入する。このとき、プラグバルブＶ１を閉じてプラグバルブＶ２を開く。
二酸化炭素80％と酸化エチレンガス20％の混合ガスを真空容器１へ導入する時は、配管を気化器の手前で接続し直す。ガスの注入速さはプラグバルブＶ２により調整する。
【００１５】
図５に、本発明を実施したガス滅菌法の工程曲線図を示す。
ガス滅菌法は、低圧下の滅菌室に酸素元素を含む気体を供給してプラズマを発生させる前処理工程と、低圧下の滅菌室に滅菌ガスを供給する滅菌工程と、再び低圧下の滅菌室に酸素元素を含む気体を供給してプラズマを発生させる後処理工程で構成する。
【００１６】
前処理工程は、プラズマ中で発生する化学的に活性な状態にある酸素により被滅菌物６（微生物）表面の化学的反応性を増大させる工程で、まず、メッシュ籠５の中へ被滅菌物６をセットして真空容器１を閉じる。ここで、減圧時に、装置の内壁や挿入物表面に付着している水が蒸発する過程で気化熱によりそれらの表面で結露するのを防ぐため、二重管４の中にお湯を流して装置内壁温度を45℃程度に予め加温しておく。
次に、真空容器１内部を曲線21に示すように0.02Torr(1/38,000気圧)程度まで減圧し、ヘパフィルタ13とエア乾燥管14を通して水および雑菌を除去しながら外気（空気）を真空容器１内に導入し、曲線22に示すように0.25Torr(1/3,000気圧)まで充填する。このとき、空気以外に酸素、二酸化炭素などの酸素元素を含む気体を真空容器１内に導入してもよい。
この圧力値程度に設定する理由は、ガスが空気の場合、この圧力値近傍で放電開始電圧が最小になるからである。
次に、12相交流電源10をオンにして分割電極３とメッシュ籠５の間で12相交流放電を生成しメッシュ籠５の中へプラズマを拡散させる。プラズマ中で生成された化学的に活性な状態にある酸素（酸素原子ラジカルや励起酸素分子）を滅菌パックの細孔を透過させ、被滅菌物６表面に作用させる。被滅菌物６表面から吸着物（油脂、水など）を脱離させ表面の清浄化を行い、被滅菌物６表面を化学的に活性化する。この過程である程度の被滅菌物６の殺菌が行われる。このときの放電電力は150W程度である。
放電を連続して行うと、放電中のガス放出によるガス圧力の上昇および放電中の熱の発生によるプラスチック製サンプルの溶融などの問題が起きる。
そのため、曲線22、23、24に示すように、放電プラズマ発生中のガスの発生による放電条件の変化を防ぎ、また、装置内部の加熱を抑制するために、放電を幾度か間歇的に行う。放電を５分間程度行い、一旦、装置内部のガスを排気し0.02Torr程度まで減圧した後、空気を大気圧まで導入する。これを1サイクルとして4回程度行い、延べ20分間程度の放電を行う。この時間は、全体の滅菌処理時間を１時間程度と想定した上での長さである。ここで、ガスや熱の発生の問題が小さい場合は、連続的に放電プラズマ発生させても構わない。
【００１７】
滅菌工程は、低濃度酸化エチレンガスを被滅菌物６の近傍へ拡散して付着させる工程で、真空容器１の二重管４を加温した状態で、前処理工程で真空容器１内部に溜まったガスを排気し、曲線24に示すように0.02Torrまで減圧する。次に、酸化エチレンガス（純度〜100％）を真空容器１内へ導入し、曲線25に示すように最大で7.6Torr(1/100気圧)のガス圧力まで充填する。
次に、真空容器１の二重管４の温度を45度から50度の範囲内に保持し、酸化エチレンガスを熱で活性化しながら、被滅菌物６内部深くまで拡散・浸透させ、前処理工程で清浄化された被滅菌物６表面に酸化エチレンガスを吸着させる。この過程で、酸化エチレンガスによる被滅菌物６の主殺菌・滅菌が行われる。全体の処理時間を１時間程度と想定し、拡散時間を20分程度にする。拡散終了後に、装置内部の酸化エチレンガスを排気し0.02Torr程度まで減圧する。ここで、排気過程で装置外に出る酸化エチレンガスを水の中にバブリングさせ、エチレングリコールとして回収する。
酸化エチレンガス圧力値は、曲線26に示すように充填直後から時間とともに指数関数的に下がる。これは、酸化エチレンガスが真空容器１内へ拡散しながらサンプル表面などへ吸着することを示す。酸化エチレンガスは吸着性の強いガスとして知られている。ガスの減少量、即ち、吸着量は、酸化エチレンガスの初期充填圧力が高いほど大きくなる。また、前処理工程を施した場合の吸着量は、そうしない場合より大きくなる。
【００１８】
後処理工程は、初期プラズマによる吸着酸化エチレンの化学的活性化およびそれによる滅菌と、プラズマによる残留（吸着）酸化エチレンガスの分解および脱離を行う工程で、真空容器１の二重管４を加温した状態で、滅菌工程で充填した酸化エチレンガスを排気し、曲線27に示すように0.02Torrまで減圧する。
次に、ヘパフィルタ13とエア乾燥管14を通して水および雑菌を除去した後、外気（空気）を真空容器１内に導入し、曲線28に示すように0.25Torrまで充填する。
このときも同様に、空気以外に酸素、二酸化炭素などの酸素元素を含む気体を真空容器１内に導入してもよい。
次に、空気プラズマを装置内に発生させ、プラズマ中で生成された化学的に活性な状態にある酸素を装置内部および被滅菌物６表面に残留した酸化エチレンに作用させ、環境に無害な水と二酸化炭素に分解・ガス化し離脱させる。残留酸化エチレンはそもそも少量なので、5分間程度の放電プラズマを発生させる。
ここで、プラズマ発生初期の段階において、滅菌パックの細孔を透過した化学的に活性な状態にある酸素が、滅菌工程の拡散過程で被滅菌物６表面に吸着した酸化エチレンに作用し、酸化エチレンを化学的に活性化する（炭素−酸素間結合を開烈させたりすること）。その結果、被滅菌物６表面と吸着酸化エチレンとが化学反応を起こし、被滅菌物６の殺菌・滅菌が行われる。
次に、真空容器１内部に溜まったガスを排気し、曲線29に示すように0.02Torrまで減圧した後、ヘパフィルタ13とエア乾燥管14を通して水および雑菌を除去しながら外気（空気）を真空容器１内に導入し、曲線30に示すように大気圧に戻す。
次に、真空容器１を開け、被滅菌物６を取り出す。
【００１９】
以下に本発明の実施例を示す。
本実施例における滅菌は、ウイルスを含め、全ての微生物を殺滅するプロセスをいう。実際には、滅菌は確率的な概念として運用される。予め、無菌性保証レベル（Sterility AssuraNce Level：SAL）を設定し単位面積あたりの被滅菌物に生存する微生物の数と種類（バイオバーデン）およびその致死速度（菌数を10分の1とするために必要な時間をD値という）からSALの達成される滅菌条件を計算して実施する。図６にD値を利用した滅菌グラフの一例を示す。現在ではSALとして10^-6（100万分の1）が国際的に採用されており、日本薬局方13局追補においても同じ概念が「最終滅菌方」に採用された。これは、滅菌操作後単位面積あたりの被滅菌物に1個の微生物が生存する確率が100万回に1回であることを意味する。想定すべきバイオバーデンを知るには事前に適切な微生物モニタリングを行わなければならないが、多くの場合、単位あたり10⁶個（100万個）の菌数を想定し、かつ致死速度の測定に、その滅菌法に対して最も抵抗性の強い菌、すなわち指標菌を用いることで運用されている。
【００２０】
本実施例における酸化エチレンガスの滅菌作用は、微生物を構成する蛋白質(proteiN)が酸化エチレンガスによりアルキル化されることによるもので、その滅菌反応の化学式を図７に示す。
【００２１】
本実施例における滅菌効果の確認は、滅菌装置内に生物学的インジケータを挿入し行われた。生物学的インジケータとして3MアテストTM1264が使用され、滅菌フィルタ蓋付き容器内に酸化エチレンガスに対して最も抵抗性の強い菌株である枯草菌(Bacillus subtilis)が芽胞状態で3.2×10⁶個格納されている。
滅菌処理後、37℃の状態で48時間培養し、培養液が変色しなければ国際無菌保証レベルの滅菌が達成されたことになる。未滅菌の場合、完全増殖状態で黄色に変色する。初期菌数に対する残存菌数の割合、即ち各滅菌工程における殺菌効果を、生物学的インジケータ培養時の完全増殖状態に至るまでの時間差で知ることができる。
ここで、芽胞状態について簡単に記す。細菌細胞は周囲の環境がその細菌の生育に不利な状況になると死滅していくのが一般的である。しかし、ある種の細菌は乾燥、高温などの環境条件が悪くなると芽胞と呼ばれる状態になり生き延びる。その耐性は物理的、化学的刺激に対して強い抵抗性を持っている。水分の少ない濃厚な原形質と核を厚い殻で覆っており、乾燥熱、消毒剤のような化学薬品処理、紫外線、放射線照射に対して強い抵抗性がある。120℃、15分のオートクレーブであらゆる芽胞は完全に死滅するが、100℃の煮沸にも耐えることができる。
細菌の培養において、dt時間における細菌の増殖分dnはその時間の細菌の数と増殖時間に比例するので、
【数４】

と書ける。但し、ａは細菌の増殖定数とする。
(1)式を積分することにより、
【数５】

となり、（2）式が得られる。但し、ｎ₀は培養時における細菌数の初期値とする。
ここで、生物学的インジケータを培養した場合に培養液の色が完全増殖状態で黄色に変色した時の細菌の数をＮとおき、細菌数の初期値の違いによる生物学的インジケータの培養液が黄色に変色するまでの時間の違いを考える。初期値がｎ₀₁及びｎ₀₂の場合に、細菌数がNまで増殖するまでの時間をそれぞれｔ₁およびｔ₂とすると、
【数６】

【数７】

と表される。図8に細菌数と培養時間の関係グラフを示す。(3)式及び(4)式より
【数８】

となる。(5)式より培養結果における時間差ｔ₂-ｔ₁は細菌数の初期値ｎ₀₁、ｎ₀₂の比の対数に比例することがわかる。
従って、各工程における殺菌効果を、初期菌数に対する残存菌数の割合、即ち、生物学的インジケータ培養時の完全増殖状態に至るまでの時間差から定量的に知ることができる。
【００２２】
【実施例１】
空気プラズマにおける殺菌効果を確認するために以下の実験を行った。
生物学的インジケータを滅菌装置内へセットし空気プラズマのみによる処理実験を行い、その殺菌効果を生物学的インジケータを培養して調べた。一方、放電・プラズマ発生に伴う生物学的インジケータの温度上昇を測定するとともに、温度上昇による殺菌効果の有無を調べるために、生物学的インジケータを大気圧下で恒温槽に入れ加熱し、その効果の確認実験を行った。
ａ．実験方法 減圧時に、装置内壁や滅菌物挿入用の籠表面に付着している水が蒸発する過程で気化熱によりそれらの表面で結露するのを防ぐため、大気圧下で滅菌装置を45℃程度に予め加温する。装置二重壁内へお湯を流すか、或いは装置外壁に巻いた帯状ヒータで装置を加熱する。装置全体が温まったら装置内の籠に被滅菌物である生物学的インジケータを挿入し、装置内部を0.02[Torr]程度まで油回転真空ポンプで減圧する。そして、空気をヘパフィルタおよびシリカゲルを通し、それぞれ雑菌および水分を除去しながら0.25[Torr]まで導入する。放電を発生させ、5分間継続した後、一旦0.02[Torr]まで排気・減圧し、再び空気を0.25[Torr]まで導入する。これを１サイクルの放電処理として何回か繰り返す。放電を間歇的に行う理由は、放電中のガス発生による圧力上昇に伴い放電条件が変化するのを避けるためと、内部にセットされた生物学的インジケータが放電・プラズマにより過度に加熱されるのを防ぐためである。放電処理サイクルが終了したら、ヘパフィルタおよびシリカゲルを通し空気を実験装置内に大気圧になるまで導入する。装置を開け中から学的インジケータを取り出す。この時、表面温度を熱電対で測定する。 ｂ．生物学的インジケータによる殺菌効果の確認 処理後の生物学的インジケータを規定の培養器に入れ、完全繁殖に至るまでの時間Nを観測し、処理過程における殺菌効果を調べた。図9(a)及び(b)に空気プラズマの殺菌効果を示す。ここで、図(a)は、第1相の放電電流（以後、放電電流と記す）及び放電電圧（以後、放電電圧と記す）の実効値がそれぞれ50[mA]、270[V]、そして全相にわたる電力の総和の平均値（以後、放電電力値と記す）が120[W]の場合の結果である。一方、図(b)は、放電電流値、放電電圧値及び放電電力値がそれぞれ60[mA]、285[V]及び150[W]の場合である。図9(b)において、棒グラフが3本一組になっているのは、生物学的インジケータが3個装置内へ同時に挿入されたことを意味する。生物学的インジケータの初期菌数にバラつきがあるので、培養データの平均値から正しい結果を得たい為である。
図9(a)より、空気プラズマ延べ処理時間が15分までの場合、完全繁殖到達時間Nは無処理の場合より僅かに長くなるだけであるが、延べ処理時間が20分を越すと、到達時間Nは階段状に長くなることが分かる。完全繁殖到達時間Nの増大は殺菌効果が有ることを表すので、滅菌パックされた被滅菌物を空気プラズマ雰囲気中にある時間放置するだけで、ある程度の殺菌が行われることを示す。しかし、この空気プラズマ処理時間を長くしても滅菌効果は増大しない。図9(b)より、空気プラズマ延べ処理時間が10分を越すと完全繁殖到達時間Nが階段状に長くなり、図9(a)の場合より、短い処理時間で殺菌効果が出ることが分かる。処理時間が15分より長い所での到達時間の長さは、図9(a)の場合に比べ2時間程度長くなるが、大きな違いはない。ここで、プラズマを生成する放電電力は図9(a)より25％大きい150[W]である。放電電力を大きくすると、滅菌前処理としての空気プラズマ処理工程時間を短くできるといえる。
図10に、実験直後に取り出した生物学的インジケータの容器表面温度と放電時間の関係を示す。ここで、放電電流値は50[mA]である。温度の測定は、装置内が大気圧に戻された後、取り出されたインジケータ容器表面に熱電対感温子が押し当られ行われた。図10より、生物学的インジケータ容器は空気プラズマに直接接触しているので、延べ放電処理時間が長くなるにつれプラズマにより加熱されることが分かる。しかし、加熱温度はせいぜい90℃程度であり、この加温による芽胞状態にある本試験の生物学的インジケータ（枯草菌）への影響（殺菌）は小さいと考えられる。
ｃ．大気圧下における生物学的インジケータの加温による殺菌効果
生物学的インジケータがその容器の加熱により、殺菌効果を受けるかどうかを調べるために、大気圧下で恒温槽に生物学的インジケータを入れ試験した。設定した温度になっている恒温槽に生物学的インジケータを30分間挿入し、外へ取り出した後、培養器に入れ殺菌効果を調べた。図11に、恒温槽温度に対する完全繁殖到達時間Nの変化を示す。生物学的インジケータを入れた恒温槽温度を100℃以上にすると、到達時間Nの値が無処理の場合より長くなり、加熱による殺菌効果が出てくることが分かる。ここで、恒温槽温度が130℃以上になると生物学的インジケータの容器が変形し融け始める。
図11の結果と図9(a)および(b)の空気プラズマの場合とを比べると、完全繁殖到達時間Nが長くなり始める温度および到達時間Nの長さは、それぞれ高く及び短い。この結果より、図9(a)および(b)の空気プラズマ処理において観測された殺菌効果は、生物学的インジケータ容器のプラズマによる加熱により引き起こされるのではなく、空気プラズマの存在そのものが関係した何かによりもたらされるといえる。
【００２３】
【実施例２】
二酸化炭素80％と酸化エチレンガス20％の混合ガスを用いた場合の殺菌効果を確認するために以下の実験を行った。プラズマを生成するガスの違いにより、どのような変化が殺菌効果に現れるかを調べた。
ａ．実験方法
大気圧下で滅菌装置を45℃程度に予め加温した後、実験装置内に生物学的インジケータを挿入し、装置内部を0.02[Torr]程度まで油回転真空ポンプで減圧する。二酸化炭素80％と酸化エチレンガス20％の混合ガスを装置内に0.25［Torr］まで導入する。放電を発生させ5分間継続した後、一旦0.02[Torr]まで排気・減圧し、再び混合ガスを0.25[Torr]まで導入する。これを1サイクルの放電処理として何回か繰り返す。
放電処理サイクルが終了したら、ヘパフィルタおよびシリカゲルを通し空気を実験装置内に大気圧になるまで導入する。装置から学的インジケータを取り出し、表面温度を熱電対で測定した。ここで、生物学的インジケータの初期菌数にバラつきがあることを考慮して、3個のインジケータを同時に装置内へ挿入した。
ｂ．生物学的インジケータによる殺菌効果の確認
図12に、延べ放電時間に対する完全繁殖到達時間の実験結果を示す。
ここで、放電電流、放電電圧値および放電電力値は、それぞれ50[mA]、285[V]および125[W]である。
放電電圧が空気プラズマの場合（270[V]）に比べ大きくなっている。二酸化炭素が一酸化炭素へ解離し、放電エネルギーの一部が奪われるので、これを補うために電圧が上昇すると考えられる。
図12より、延べ処理時間が10分を過ぎた頃から、完全繁殖到達時間Nが無処理の場合より長くなることが分かる。図9(a)に示された空気プラズマの場合と比較すると、混合ガスの場合は、到達時間が長くなり始める処理時間が5分程度短く、処理時間が15分以降の到達時間は2時間程度長い。しかし、ほとんど同じような値である。
図13に、実験直後に取り出した生物学的インジケータの容器表面温度と放電時間の関係を示す。ここで、データがバラついているのは、何回かの実験における値を示しているからである。放電電流値は50[mA]である。延べ処理時間に対するインジケータ表面温度の上昇は、図10の空気プラズマの場合と比べると同じようになっている。
図12および図13に示された結果より、二酸化炭素80％、酸化エチレンガス20％の混合ガスプラズマにおいても、空気プラズマの場合とほとんど同様な殺菌効果が生ずることが分かる。これは、二つの場合に共通した要因により殺菌が引き起こされていることを示唆する。
滅菌効果が何により引き起こされるかについては、いずれの場合も化学的に活性な状態にある酸素に因ると考えられる。空気プラズマにおいて、構成成分である酸素分子から化学的に活性な状態にある酸素が生成される。二酸化炭素80％と酸化エチレン20％の混合ガスプラズマにおいて、二酸化炭素が一酸化炭素と酸素に解離し化学的に活性な状態にある酸素が生成される。
【００２４】
【実施例３】
酸化エチレンガスの拡散による殺菌効果を確認するために以下の実験を行った。
先ず、酸化エチレンガス拡散過程における酸化エチレンガスの吸着特性を調べた。次に、酸化エチレンガス拡散による殺菌実験において、空気プラズマ前処理無しと有りの二通りの場合についてその効果を調べた。（１）酸化エチレンガスの吸着特性
ａ．実験方法
大気圧下で滅菌装置を45℃程度に予め加温した後、実験装置内に生物学的インジケータを挿入し、装置内部を0.02[Torr]程度まで油回転真空ポンプで減圧した。
先ず、酸化エチレンガスを装置内へ0.25[Torr]まで導入し、20分間封入・拡散させ、空気プラズマ前処理をしない場合の酸化エチレンガスの吸着特性を調べた。次に、空気プラズマによる前処理を施した後に、酸化エチレンガスを装置内へ0.25[Torr]まで導入し、20分間封入・拡散させ、酸化エチレンガスの吸着特性を調べた。
更に、空気プラズマによる前処理を10分間施した後に、酸化エチレンガスを幾通りかの圧力値まで導入し、10分間封入・拡散させ、初期濃度の違いによる酸化エチレンガスの吸着特性の変化を調べた。
ｂ．実験結果
図14に、酸化エチレンガス圧力の時間変化（吸着特性）を示す。ここで、破線で結んだデータは空気プラズマ前処理を施さない状態で酸化エチレンガスを封入・拡散させた場合の圧力値である。一方、実線で結んだデータは空気プラズマ前処理（延べ処理時間20分）を行った後に酸化エチレンガスを封入・拡散させた場合のそれである。
図14より、空気プラズマ前処理有りの場合は無しの場合より、酸化エチレンガス圧力の減少が大きいことが分かる。ガス圧力の減少分から拡散終了時（20分後）の酸化エチレンガスの吸着量を計算すると、空気プラズマ前処理の場合が11.6mg、空気プラズマ前処理無しの場合が4.8mgとなる。ここで、装置内容量を5.5?、装置内における酸化エチレンガス温度を45℃とした。
空気プラズマ前処理による酸化エチレン吸着量の増加は、空気プラズマにより装置内部がクリーニングされ、装置内部に存在する物体表面（被滅菌物である生物学的インジケータも含めて）の化学的反応性が上がり、酸化エチレンガスが吸着し易くなったからだと考えられる。
図15に、初期封入圧力に対する酸化エチレンガスの吸着量の変化を示す。ここで、空気プラズマ前処理の延べ時間は10分、封入・拡散時間は10分である。図15より、初期封入圧力が低いと、酸化エチレンガスの吸着量も小さくなることが分かる。
一方、図15の初期封入圧力値が0.76[Torr]の場合の10分後のガス圧力値と、図14の空気プラズマ前処理有りで同じ封入時間におけるガス圧力値を比較すると、図14の場合の方が低いことが分かる。この違いは、空気プラズマ前処理の延べ時間の違いに因るものと考えられる。何故ならば、図15の場合は10分間で図14の場合は20分間である。空気プラズマ前処理が短いと（但し、装置内部の清浄化がまだ充分でない時間帯において）、内部表面の化学的反応性の活性化が不充分で、酸化エチレンが吸着され難いと考えられる。
（２）酸化エチレンガス拡散の殺菌効果
ａ．実験方法
図16(a)および(b)に、酸化エチレンガス拡散による殺菌効果を調べる実験工程を示す。
ここで、酸化エチレンガスの初期封入圧力は7.6[Torr]および拡散時間は20分である。
図16(a)は空気プラズマ前処理無しの場合で、純粋に酸化エチレンガス拡散のみによる工程である。図16(b)は空気プラズマ前処理と酸化エチレンガス拡散を施した場合の工程である。
図16(a)において、大気圧下で滅菌装置を45℃程度に予め加温する時、装置内に生物学的インジケータを予め挿入し加温しておいた。これは、図16(b)の工程において、生物学的インジケータが空気プラズマ前処理工程で加温されるのを考慮し、温度条件を同じようにするためである。
図16(b)において、空気プラズマ前処理延べ時間を20分（4サイクル放電）とした。
ｂ．実験結果
図17に、各工程処理後の生物学的インジケータの完全繁殖到達時間Nを示す。工程１は空気プラズマ前処理（延べ時間20分）工程を、工程２は酸化エチレンガス拡散処理工程を表す。工程１+工程２は、二つの処理工程を続けて施すことを表す。ここで、工程１における、放電電流、放電電圧値はそれぞれ50[mA]、270[V]である。放電電力値は凡そ120[W]である。
図17より、工程１および工程２を合わせた工程における殺菌効果が、それぞれの工程が単独で持つ殺菌効果より大きくなることが分かる。工程２、即ち、生物学的インジケータを予め45℃程度に加温し、装置を真空（0.02[Torr]）にした状態で、低濃度（7.6[Torr]）の酸化エチレンガスを導入・拡散させる工程において、単独工程でもある程度の殺菌効果がある。
二つの工程を合わせると大きな殺菌効果がもたらされる機構として、工程１の空気プラズマ前処理により装置内部（被滅菌物も含む）が清浄化されその表面の化学的反応性が高まるために、工程２における酸化エチレンガスの吸着量が増え、酸化エチレンガスによる殺菌効果が大きくなったと考えられる。
図18に、空気プラズマ前処理（延べ時間20分）工程における放電電流を60[mA]にした場合の、各工程処理後の生物学的インジケータの完全繁殖到達時間Nを示す。ここで、工程１における、放電電圧値は、285[V]である。放電電力値は凡そ150[W]である。
図18より、放電電圧が大きくなると、即ち、投入電力が大きくなると、空気プラズマ前処理工程１と酸化エチレン拡散処理工程２を合わせた工程において、完全繁殖到達時間Nが48時間以上（実際には何日経っても変化無し）となり、完全滅菌が達成されることが分かる。
この結果は、空気プラズマによる前処理工程が効果的に行われると、低濃度の酸化エチレンガスにより高速（20分程度）に滅菌処理を遂行できることを示す。本発明における最も重要な結果の一つである。
【００２５】
【実施例４】
空気プラズマ後処理工程における殺菌効果を確認するために以下の実験を行った。
以下に、空気プラズマ前処理工程１を行わずに酸化エチレンガス拡散工程２と空気プラズマ後処理工程３のみを行った場合の実験結果と、工程１、工程２および工程３の全工程を行った場合の結果を示す。
（１）酸化エチレンガス拡散と空気プラズマ後処理のみの場合の殺菌効果
図19および図20に、酸化エチレンガス拡散工程２の後に加えた短時間の空気プラズマ後処理工程３の殺菌効果を調べるための実験工程、およびその時の殺菌結果をそれぞれ示す。ここで、酸化エチレンガスの初期封入圧力は7.6[Torr]、拡散時間は20分である。空気プラズマ後処理時間は5分、放電電流は50[mA]、放電電圧は270[V]、および放電電力は凡そ120[W]である。
図20の結果より、酸化エチレンガス拡散工程２における初期封入圧力が高くなるにつれ空気プラズマ後処理工程３を施した後に現れる殺菌効果が大きくなることが分かる。
ここで、酸化エチレンガス封入初期圧力が７.６[Torr]の場合の完全繁殖到達時間Nは28時間である。一方、図17に示された同条件における酸化エチレン拡散工程２のみによる場合は18.5時間、また、図17に示された空気プラズマ前処理工程１（延べ20分）と工程２による場合は28時間である。これらの到達時間の比較から、空気プラズマ後処理の工程時間は5分と短いにもかかわらず、この工程における殺菌効果は大変大きく、効率的であることが分かる。
実用上、図20において注目すべき点は、データはバラついているが封入圧力3.8[Torr]においても殺菌効果が得られていることである。この圧力における酸化エチレンガス濃度は、従来の酸化エチレンガス濃度の約1/100の値に相当する。
空気プラズマ後処理工程３の直前における酸化エチレンの装置内吸着残留量がどれ位であるかは不明である。何故ならば、酸化エチレンガス拡散・吸着工程後の排気・減圧（0.02[Torr]）過程で、吸着した酸化エチレンの一部がガス化し排出されると考えられるからである。
空気プラズマ後処理工程における殺菌機構として、残留した酸化エチレンが空気プラズマ中で生成される化学的に活性な状態にある酸素などにより活性化され、非滅菌物との化学反応性が促進される、次のようなシナリオが考えられる。
▲１▼酸化エチレンガス拡散工程２において被滅菌物の近傍に酸化エチレンが吸着し、真空排気後もその一部が気化せず残留する。
▲２▼被滅菌物の近傍に残留した酸化エチレンは、後処理工程３の空気プラズマにおいて発生する化学的に活性な状態にある酸素や粒子として振舞う高エネルギーの電子、イオンなどの衝撃(作用)を受ける。
▲３▼残留酸化エチレンは衝撃により、被滅菌物との化学反応に必要な活性化エネルギーを得る。
▲４▼活性化エネルギーを得た残留酸化エチレンは、直ちに、近傍に存在する被滅菌物と化学的反応を起こし、被滅菌物を殺菌する。
（２）全処理工程を施した場合における空気プラズマ後処理の殺菌効果
ａ．空気プラズマ前処理および後処理工程における放電電流が同じ場合
図21および図22に、空気プラズマ前処理工程１＋酸化エチレンガス拡散工程２＋空気プラズマ後処理工程３の殺菌効果を調べるための実験工程、およびその時の殺菌結果をそれぞれ示す。ここで、空気プラズマ前処理工程１および後処理工程３において、放電電流は50[mA]、放電電圧は270[V]、および放電電力は凡そ120[W]である。
図22の結果より、二つの処理工程へ短時間（5分）の空気プラズマ工程３を加えるだけで、完全繁殖到達時間が6時間も延びることが分かる。即ち、最後の工程３において効率的な殺菌効果が生ずることが分かる。
全工程に亘る殺菌機構として、前述したシナリオの一番前の部分へ、次のようなシナリオが加わると考えられる。
▲１▼装置内部（被滅菌物も含む）は、前処理工程１における空気プラズマにおいて発生する化学的に活性な状態にある酸素や粒子として振舞う高エネルギーの電子、イオンなどの衝撃（作用）を受ける。
▲２▼上の衝撃（作用）により装置内部（被滅菌物も含む）は清浄化され、装置内部の化学的反応性が高められる。この時、ある程度の殺菌効果も現れる。
▲３▼化学的反応性が高められた装置内部へ工程２において酸化エチレンガスが拡散されると、酸化エチレンガスが装置内部（被滅菌物も含む）に吸着し易くなる。この時、強い殺菌効果、即ち滅菌効果が現れる。
ｂ．空気プラズマ後処理工程における放電電流を大きくした場合
図23に、全処理工程において空気プラズマ後処理工程３の放電電流を大きくした場合の殺菌効果を示す。ここで、放電電流が50[mA]、60[mA]および70[mA]における、放電電圧はそれぞれそれ270[V]、285[V]および300[V]、そして放電電力はそれぞれ凡そ120[W]、150[W]および180[W]である。
図23の実験結果より、工程３における放電電流を上げ過ぎると、完全繁殖到達時間Nが逆に短くなり、殺菌効果が減ぜられることが分かる。
工程３において、空気プラズマにおける残留酸化エチレンの分解（二酸化炭素、水、一酸化炭素、水素へ）と脱離が同時に起きる。従って、工程３における放電電流、即ち、放電電力が大きくなり過ぎると、この脱離と分解作用がプラズマによる残留酸化エチレンの活性化作用より大きくなり、その結果として、工程３における殺菌効果が小さくなると考えられる。
【００２６】
【実施例５】
空気プラズマ後処理工程３において残留酸化エチレンがどのように分解・無害化されるかを、以下に装置内のガス成分を分析し調べた。
先ず、前処理工程１における空気プラズマの発生により、装置内のガス成分にどのような変化が現れるかを調べた。この時、装置内に被滅菌物（実際には、生物学的インジケータ）を挿入した場合と、何も挿入しない場合におけるガス成分の違いを調べ、空気プラズマ前処理工程１において生ずる作用について検討した。
次に、二酸化炭素80％と酸化エチレン20％の混合ガスを用いたプラズマについてガス分析を行った。これは以下の二つの理由による。一つは、図12に示したように、この混合ガスプラズマにおいて（前処理工程１の空気プラズマと同様な）殺菌効果が何故得られたかを検討するためである。もう一つは、ある既知の割合で酸化エチレンガスが存在する条件下において、酸化エチレンがプラズマの存在によりどのように変わるかを予め把握するためである。何故ならば、工程２の後に装置内に残留する酸化エチレンの量は未知で且つ大変少量であるので、工程３におけるその変化を正しく知ることは難しいと予想されたからである。最後に、空気プラズマ後処理工程３におけるガス分析を行った。そして、上述した二つの場合の結果も含めたデータを基に、装置内に残留した酸化エチレンが工程３においてどのように分解・無害化されるのか、また、この工程において何故殺菌効果が生ずるのかを検討した。
放電プラズマ発生時の時々刻々のガス分析は、四重極質量分析計（日電アネルバ、AQA-100MPX）のモニター画面に映し出される質量分析スペクトルがビデオカメラで撮影され、行われた。画像は、実験終了後、ビデオキャプチャー・ボードを通しコンピュータに取り込まれた。ガス種の同定は、ガス質量分析スペクトルのデータベースを参照し行われた。
（１）前処理工程１における空気プラズマ
先ず、前処理工程１における空気プラズマの発生により、装置内のガス成分にどのような変化が現れるかを調べた。この時、装置内に被滅菌物（実際には、生物学的インジケータ）を挿入した場合と、何も挿入しない場合におけるガス成分の違いを調べ、空気プラズマ前処理工程１において生ずる作用について検討した。
ａ．装置内へ生物学的インジケータを挿入した場合
図24(a)、(b)、(c)および(d)に、実験装置内に生物学的インジケータを挿入した場合の空気プラズマ前処理工程１におけるガス質量分析スペクトル結果の推移を示す。図24(a)は分析系（配管部、排気部や分析管部）に残留するガス種の質量スペクトルを示し、これがガス分析の際のベースレベルになる。図24(b)、(c)および(d)は、それぞれ、放電直前、放電直後および放電5分後の質量スペクトルを示す。ここで、横軸はM/Z、Ｍは質量数およびZはイオン価数である。但し、中性の時がZ=1、１価イオンの時Z=2である。
空気の初期封じ込めガス圧力は0.25[Torr]、放電電流は60[mA]および放電電圧は293[V]である。
図24(a)において、M/Z=18の所に小さなピークが観測されるので、ガス分析系にわずかに水蒸気（H₂O=1×2+16=18, Z=1）が存在していることが分かる。一般的に、水はほとんどの真空装置壁に安定して吸着しており、真空排気を長時間行ってもなかなか脱離しない。図24(b)より、放電前の質量分析スペクトルにおいて、M/Z=14, 18, 28, 32および40の所にピークが観測される。ここで、空気の組成は窒素78.084％、酸素20.948％、アルゴン0.938％、二酸化炭素0.033％である。図25に、これらのガス種に対する質量分析スペクトルデータを示す。ここで、ガス種特有のスペクトルが現れる理由は、ガスが電子ビームでイオン化され分析される過程で、特有な解離成分が生成されるからである。本来検出されるべきピーク以外に現れるスペクトルはフラグメント成分と呼ばれる。
図25のデータを参照すると、図24(b)において、M/Z=14, 28のスペクトルに対応するガス種は窒素分子（N₂=14×2=28, Z=1）、M/Z=18は水蒸気、M/Z=32は酸素分子（O₂=16×2=32, Z=1）およびM/Z=40はアルゴン原子（Ar=40, Z=1）であることが分かる。
装置内のガス成分は、水蒸気と装置内へ導入された空気であることが確認された。
図24(c)より、放電プラズマ発生直後のガス質量分析スペクトルにおいて、M/Z=2, 14, 18, 28, 32, 40および44の所にピークが観測される。図24(b)と比較すると、M/Z=2および44に新たにピークが現れている。これら二つのピークは、図25のスペクトルデータを参照すると、M/Z=2は水素分子(H₂=1×2, Z=1)、およびM/Z=44は二酸化炭素（CO₂=12+16×2=44, Z=1）に対応することが分かる。
図24(c)と(b)を比較すると、即ち、放電開始直前、直後の内部のガス成分の変化を見ると、図24(c)において酸素分子のピークが減少し、水素分子および二酸化炭素のピークが新たに現れ、水蒸気のピークが増加することが分かる。
図24(d)より、放電プラズマ発生５分後の質量分析スペクトルにおいて、M/Z=2, １2, 14, 16, 17, 18, 28, 32, 40および44の所にピークが観測される。図24(c)と比較すると、M/Z=12, 16および17に新たにピークが現れている。図25のスペクトルデータを参照すると、M/Z=12は二酸化炭素あるいは/および一酸化炭素のスペクトルのフラグメント成分、M/Z=16は水蒸気と二酸化炭素あるいは/および一酸化炭素のスペクトルのフラグメント成分、およびM/Z=17は水蒸気のスペクトルのフラグメント成分であることが分かる。
ここで、M/Z=28のピークにおいて窒素分子と一酸化炭素スペクトルのそれが重なるが、図24(d)におけるピークの変化分は一酸化炭素スペクトルを表すと考えられる。以下の理由による。
▲１▼窒素分子の(質量分析)スペクトルのフラグメント成分であるM/Z=14の値に変化が無いので、窒素分子の主スペクトル（M/Z=28）にも変化は無い。従って、M/Z=28におけるピークの増加は一酸化炭素あるいはこの所にフラグメント成分を有するガス種、即ち、二酸化炭素の増加による。
▲２▼二酸化炭素のスペクトルのM/Z=28フラグメント成分の大きさは元のそれの一割程度である。M/Z=28におけるピークの増加は、M/Z=44の二酸化炭素の主スペクトル成分の大きさより大きい。
図24(d)と(c)と比較すると、即ち、放電プラズマ発生の時間経過に伴う内部のガス成分の変化を見ると、酸素分子が更に減少してほとんど無くなり、一酸化炭素が新たに現れ、水素分子と水蒸気および二酸化炭素のピークが増加している。図24(d)、(c)および(b)の結果は、空気プラズマの発生により空気の構成成分である酸素が化学的に活性化され装置内部の炭素や水素を含む有機物などと反応し、酸素の消費と二酸化炭素や水などの発生が起きることを示唆する。ここで、プラズマのエネルギーにより、二酸化炭素や水蒸気の解離や、装置内部壁（被滅菌物も含む）に吸着している水の脱離も、同時に引き起こされると考えられる。
以下のような化学反応式が考えられる。
C,Hを含む有機物など + O₂ ^* (或いは2O) →（反応）aCO₂ + bH₂O + cH₂
H₂O（装置内部壁などの吸着水） →（脱離） H₂O（水蒸気）
一部の2CO₂ →（解離） 2CO + O₂
一部の2H₂O（水蒸気） →（解離） 2H₂+ O₂
但し、^*は励起状態を表し、a, b およびcは任意の整数を表す。
ｂ．生物学的インジケータを無挿入の場合
図26(a)、(b)、(c)および(d)に、実験装置内に生物学的インジケータを無挿入の場合の前処理工程１におけるガス質量分析スペクトル結果の推移を示す。図26(a)はガス分析系に残留するガス種の質量スペクトルを示し、図26(b)、(c)および(d)は、それぞれ、放電直前、放電直後および放電5分後の質量スペクトルを示す。ここで、放電プラズマ条件は前と同じである。
図24(a), (b), (c)および(d)と、それぞれ同じ時間帯の分析結果を比較し、生物学的インジケータの有無による変化を調べる。
ガス分析系および放電プラズマ生成直前の装置内のガス質量分析スペクトル結果は、同様な条件で測定しているので、本質的に同じである。ガス分析系にわずかに水蒸気が、および装置内に空気と水蒸気が検出されている。
放電直後の質量分析スペクトルである図26(c)と図24(ｃ)についても、ほとんど同じような結果となっている。放電の開始により、酸素分子のピークが減少し、水素分子および二酸化炭素のピークが新たに現れ、また、水蒸気のピークが増加している。
しかし、放電5分後の質量分析スペクトルである図26(d)と図24(ｄ)については、違いが見られる。生物学的インジケータ未挿入の図26(d)の場合の方が、酸素分子主スペクトルの減少量が小さく、新たに現れる一酸化炭素の主スペクトル（窒素分子主スペクトルと重なっているのでその増加分）の大きさが小さく、そして、水素分子、水蒸気および二酸化炭素の主スペクトルの増加量は小さくなっている。
殺菌・滅菌時に装置内へ挿入される生物学的インジケータのケースおよびその口に付いている滅菌フィルタはプラスチック製である。また、ケース内部に格納されている枯草菌芽胞は紙に塗布されている。プラスチックや紙は有機高分子材料（C, H, Oから成る）で作られているので、これらは化学的に活性な状態にある酸素と容易に反応し、二酸化炭素と水蒸気にガス化され得る。
図26(d)の結果より、プラズマにより発生する酸素ラジカルと化学反応すべき有機物の生物学的インジケータが装置内部に挿入されていないので、酸素の消費が少なく、反応物としての二酸化炭素や水蒸気が少ないといえる。ここで、生物学的インジケータが未挿入の場合でも、酸素がある程度消費され二酸化炭素や水蒸気が発生するのは、装置内部には油脂などのわずかな汚れが付着しているからだと考えられる。
ｃ．工程１における殺菌過程の考察
以上のガス分析結果より、空気プラズマ前処理工程１において、以下のようなことが生ずると示唆される。
1)プラズマの発生により空気の構成成分である酸素が化学的に活性な状態にされる。
2)化学的に活性な状態にある酸素は装置内部表面(被滅菌物も含む)に付着する有機物などと化学反応を起こし、付着物をガス化し表面より脱離させる。この時、装置内部表面(被滅菌物も含む)に吸着する水も脱離する。この過程において、微生物表面を構成する有機物の一部が酸化され殺菌効果も生ずる。
3)装置内部表面（被滅菌物も含む）が清浄化され、その表面の化学的反応性が著しく高められる。
化学的反応性が著しく高められた装置内部（被滅菌物も含む）表面は、注入された酸化エチレンガスと非常に効率良く反応するので、実施例３の酸化エチレンガス拡散の殺菌効果で記述した実験のように、ガス濃度が極めて低くとも高速な殺菌・滅菌処理が可能になると考えられる。
（２）二酸化炭素80%と酸化エチレン20％の混合ガスを用いたプラズマ
ａ．ガス分析実験
図27(a)、(b)、(c)および(d)に、二酸化炭素80％＋酸化エチレン20％の混合ガスプラズマにおけるガス質量分析スペクトル結果の推移を示す。図27(a)は分析系の残留ガスに対する結果を示し、図27(b)、(c)および(d)は、それぞれ、放電直前、放電直後および放電5分後の装置内ガスに対する結果を示す。ここで、二酸化炭素80％と酸化エチレンガス20％の混合ガスの初期封じ込めガス圧力は0.25[Torr]、放電電流は60[mA]および放電電圧は299[V]である。
図27(a)は図26(a)および図24(a)と同じで、ガス分析系にわずかに水蒸気が残留していることを示す。
図27(b)より、放電直前の質量分析スペクトルにおいて、図27(a)に示された成分以外に、M/Z=12, 14, 15, 16, 22, 28, 29, 43および44の所にピークが観測される。ここで、装置内のガス種を確認するための参照データとして、図28(a)、(b)および(c)に、データベースから抽出した酸化エチレンガス、二酸化炭素および一酸化炭素に対するガス質量分析スペクトルをそれぞれ示す。各スペクトルは主ピークを100として目盛られている。
図28(a)および(b)を参照すると、図27(b)におけるM/Z=14, 15, 29, 43および44のスペクトルは酸化エチレンに対応し、M/Z=12, 16, 22, 28および 44のピークは二酸化炭素に対応することが分かる。従って、装置内へ導入されたガス成分は、二酸化炭素と酸化エチレンの混合ガスであることが確認される。
図27(c)より、放電直後の質量分析スペクトルにおいて、図27(ｂ)と比較し、M/Z=2および28のピークが大きくなり、M/Z=32の所に小さなピークが新たに現れている。その他のスペクトルの大きさはほとんど同じであるので、図25のデータよりガス種を同定すると、放電プラズマの発生直後に発生したガスは、水素、一酸化炭素および酸素である。これらは、プラズマからのエネルギーを得て、以下のような反応が生じると考えられる。
2CO₂ →（解離） 2CO + O₂
H₂O（吸着水） →（脱離） H₂O（水蒸気）
2H₂O（水蒸気） →（解離） 4H₂+ O₂
図27(d)より、放電プラズマ発生5分後のガス質量分析スペクトルにおいて、M/Z=2, 12, 14, 16, 17, 18, 27, 28, 29および44の所にピークが観測される。図27(ｃ)と比較すると、M/Z=2, 18および28のピークがとても大きくなり、M/Z=44のピークがずいぶんと小さくなっている。図25および図28のスペクトルデータを参照しガス種を同定すると、水素、水蒸気および一酸化炭素の発生が増え、一方で二酸化炭素が減少することが分かる。さて、酸化エチレンガスについて検討する。図27(d)のスペクトル結果において、M/Z=15のピークが消え、M/Z=29のピークが大変小さくなり、そして、M/Z=43のピークが消えている。ここで、M/Z=29のピークには一酸化炭素のフラグメントスペクトルが重なり、M/Z=44のピークには二酸化炭素の主スペクトルが重なっている。従って、図28(a)に示されるような酸化エチレンに特徴的なガス質量分析スペクトルが観測されていない。
一方、M/Z=27に現れる小さなピークについてはエタン（C₂H₆=30）のフラグメントスペクトルである可能性が考えられる。このガス種の質量分析スペクトルは、データベースによれば、主ピークがM/Z=28(100%)、第１副ピークが27(33%)、第２副ピークが29(22%)、第３副ピークが26(23%)、および第４副ピークが14(3%)である。図27(d)において、これに対応する全てのピークが観測されることが分かる。また、エタンは、酸化エチレンと水素の間の
C₂H₄O＋2H₂ → C₂H₆＋H₂O
の反応により生成され得る。
以上の結果より、酸化エチレンガスおよび二酸化炭素は、5分間の放電プラズマからのエネルギーにより、以下のような反応により分解されると考えられる。
【数９】

ここで、二酸化炭素および水蒸気の解離反応から発生する酸素は、放電プラズマからのエネルギーにより活性化され、化学的により反応性の高い分子或いは原子に変わると考えられる。
【数１０】

ｂ．ガス分析結果から殺菌過程の考察
実施例２の図12の所で既述したように、空気プラズマおよび二酸化炭素80％と酸化エチレンガス20％の混合ガスプラズマにおいて、ほとんど同様な殺菌効果が生じた。即ち、異なるガス中で生成されたプラズマにおいて、同じような殺菌結果が得られた。従って、殺菌効果は二つの場合に共通した要因により引き起こされると考えられるので、ガス分析実験において二つの場合に共通する結果からその要因を検討する。
図24(d)および図27(d)に示された放電プラズマ発生5分後の二つの場合のガス分析結果を比較すると、共通する点は、水素、水および一酸化炭素の発生である。ここで、二酸化炭素についての比較は、混合ガスプラズマの場合に二酸化炭素が予め存在しているので、難しい。これらのガスは、それぞれのガス分析で既述したように、酸素による炭素化合物の酸化反応、水蒸気および二酸化炭素の解離反応の結果として生ずると考えられる。一方、殺菌・滅菌されるべき微生物は（炭素、水素、酸素、窒素などを含む）有機物であるので、酸素による酸化反応により殺菌・滅菌が行われると考えられる。従って、二つの場合のガス分析結果より、殺菌効果に結び付き得る共通な点は、酸素による酸化反応がプラズマ中において生じていると推測される点である。
空気プラズマにおいては空気の構成成分である酸素が、二酸化炭素80％と酸化エチレンガス20％の混合ガスプラズマにおいては二酸化炭素の解離から生じた酸素が、それぞれプラズマにより化学的に活性化され酸化反応を起こす。その結果、プラズマが生成されるガスが異なるにもかかわらず、同じような殺菌効果が得られたといえる。
混合ガスの場合に殺菌効果を本来持つ酸化エチレンガスが入っているにもかかわらず、空気プラズマの場合と同様な殺菌効果しか得られなかった理由は、混合ガスプラズマにおいて、二酸化炭素から解離した酸素により酸化エチレンが分解されてしまったからである。一般的に、ガスはプラズマ化されることによりその化学的反応性が高められる。しかし、酸化エチレンガスについてはそもそも不安定なガスなので、プラズマ化により直接的にその化学反応性を高めようとすることは適当でない、といえる。留意すべき重要な結果の一つである。
（２）酸化エチレン拡散・排気後の後処理工程３における空気プラズマ
空気プラズマ後処理工程３におけるガス分析を行った。そして、装置内に残留した酸化エチレンが工程３においてどのように分解・無害化されるか、また、この工程において何故殺菌効果が生ずるのかを検討した。
ａ．ガス分析実験
図29(a)、(b)、(c)および(d)に、空気プラズマ後処理工程３におけるガス質量分析スペクトル結果の推移を示す。図29(a)は分析系に残留するガス種の質量スペクトルを示す。図29(b)、(c)および(d)は、それぞれ、放電直前、放電直後および放電5分後の質量スペクトルを示す。
ここで、実験装置を45℃程度に加温した状態で生物学的インジケータを挿入し、装置内ガスを真空ポンプで排気し0.02[Torr]まで減圧した。酸化エチレンガスを初期圧力7.6[Torr]まで注入し、20分間封じ込めた状態で拡散・吸着させた。そして、装置内ガスを排気し、一旦0.02[Torr]まで減圧した後、空気を圧力0.25[Torr]まで導入した。放電電流は60[mA]および放電電圧は290[V]である。
図29(b)より、放電直前のガス質量分析スペクトルにおいて、M/Z=14, 15, 16, 18, 28, 29, 32, 40および44の所にピークが観測される。ここで、図25の表および図28のスペクトルデータを参照すると、M/Z=14および28のスペクトルは窒素分子、32は酸素分子、40はアルゴンをそれぞれ表わすことが分かる。一方、M/Z=15, 16, 29および44は酸化エチレンのスペクトルを表わすことが分かる。
従って、装置内のガス成分は、導入された空気ガスと、直前の工程２において装置内に吸着・残留した酸化エチレンの一部が気化したガスであることが分かる。
図29(c)より、放電プラズマ発生直後のガス質量分析スペクトルにおいて、図29(b)の結果と比較すると、M/Z=2に対応する水素が急に大きくなり、32に対応する酸素が少し小さくなる。図29(d)より、放電プラズマ発生5分後の質量分析スペクトルにおいてM/Z=2, １2, 14, 16, 17, 18, 26, 27, 28, 29, 40および44の所にピークが観測される。図29(c)と比較すると、M/Z=2, 16, 18, 28および44のピークが大きくなり、M/Z=15および32のピークが全く消え、M/Z=12, 17, 26, 27が新たに現れ、M/Z=14および40のピークは変わらない。図25および図28のスペクトルデータを参照しガス種を同定すると、M/Z=2に対応するスペクトルは水素分子、M/Z=17の一部および18のスペクトルは水蒸気、M/Z=12, 14の一部、16の一部、28の増加分のほとんどの部分および29の一部のスペクトルは一酸化炭素、そして、M/Z=12, 16の一部、28の増加分の一部および44のほとんどの部分のスペクトルは二酸化炭素に対応することが分かる。ここで、消滅したM/Z=32は酸素分子、M/Z=14および28の一部は窒素分子、M/Z=40はアルゴンに対応する。
酸化エチレン成分について検討する。図29(d)において、M/Z=15のピークは消え、M/Z=29のピークは小さくなっている。ここで、M/Z=29のピークには一酸化炭素のフラグメントスペクトルが重なり、M/Z=44のピークには二酸化炭素の主スペクトルが重なっている。図28(a)の酸化エチレンのガス質量分析スペクトルにおいて、M/Z=15のスペクトル成分は主成分の大きさの53％程度もあるので、図29(d)においてM/Z=15のピークが消えていることは、酸化エチレンが消えていることを示すと解釈される。
一方、図29(d)におけるM/Z=26および27のスペクトルについては、前小節の二酸化炭素80％と酸化エチレン20％の混合ガスプラズマの場合の図27(d)の所で指摘したように、エタン（C₂H₆=30）である可能性が挙げられる。図29(d)と図27(d)のスペクトルを比較すると、今回の図29(d)の方がM/Z=27および26のピークが大きく、ハッキリと現れている。
これは、両者の場合における酸素分子の存在量の違いによると考えられる。つまり、プラズマ発生時における酸素分子の量が、図29(d)の場合の方が図27(d)の場合より少なく、酸化エチレンの酸化分解が完全に進まないからだと推測される。以下に二つの場合に分けて酸素分子分圧を概算し、この推論の妥当性を示す。(i)先ず、図27(d)の二酸化炭素80％と酸化エチレン20％の混合ガスプラズマの場合の酸素分子の量を概算する。この混合ガスに酸素分子は元々含まれていないが、プラズマからのエネルギーを得て、以下の二つの反応により酸素分子が発生する。
【数１１】

混合ガスの初期封入圧力は0.25[Torr]であるので、二酸化炭素および酸化エチレンガスの初期圧力は、それぞれ0.2[Torr]および0.05[Torr]である。酸化エチレンガスを完全に酸化するために必要な酸素分圧を計算する。
上記(1)式を(2)式に代入し、更に、両辺に現れる酸素分子を相殺すると（上記(2)式の過程で発生する二酸化炭素は上記(1)式の反応で全て解離されると仮定することと等価）、
【数１２】

となる。従って、初期分圧0.05[Torr]の酸化エチレンガスを完全に酸化分解するためには、分圧0.075[Torr]の酸素分子の発生が必要であることが分かる。今、プラズマにより全ての二酸化炭素が上記(1)の反応で解離されると仮定すると、発生する酸素分子分圧は0.1[Torr]となり、酸化エチレンを完全に酸化するために必要な量より大きい。
(ii)次に、図29(d)の空気プラズマの場合の酸素分子の量を概算する。空気の20％の成分が酸素であるので、初期封入圧力0.25[Torr]において酸素分子分圧は0.05[Torr]となる。この分圧から、装置内の酸素分子の総モル数を計算すると、1.4×10^-5 moleとなる。
但し、装置内容積を5.5?、温度を45℃とした。一方、空気プラズマ後工程３に入る前に装置内に残留している酸化エチレン量を凡そ10mg程度と仮定すると、2.3×10^-4moleとなる。従って、装置内の酸素分子の量は残留酸化エチレンを完全に酸化・分解するのに必要な量より充分多くはないといえる。
ここで、実施例３の酸化エチレンの吸着量を11.6ｍｇと概算した。減圧工程３に入る前に装置内は一旦減圧されるので、この過程で吸着した一部は脱離すると予想される。吸着量のどの程度の割合が残留量になるのかは不明である。
ｂ．工程３における残留酸化エチレンの分解
以上の実験結果より、空気プラズマ後処理工程３における5分間の放電プラズマ中において、吸着・残留酸化エチレンは以下のような過程で分解・無害化されると考えられる。
1)プラズマからのエネルギー^#による空気構成成分の酸素の化学的活性
【数１３】

^#プラズマを構成する数万度の温度を持つ電子が雰囲気ガスへ衝撃し、与えるエネルギーのことを指す。
2)化学的に活性な酸素による吸着・残留酸化エチレンの酸化分解・ガス化脱離
【数１４】

・・・ 酸化反応による二酸化炭素および水の発生
3)放電プラズマからのエネルギー^#による二酸化炭素や水蒸気の解離
【数１５】

・・・・・ 二酸化炭素の解離による一酸化炭素および酸素の発生
【数１６】

・・・・・ 水蒸気の解離による水素および酸素の発生
4)酸素不足による酸化エチレンガスの未分解
【数１７】

ｃ．工程３における殺菌過程の考察
実施例４で既述したように、残留酸化エチレンが存在する条件下における空気プラズマにおいて殺菌効果が得られた。その過程を、以上に既述したガス分析結果より考察する。空気プラズマ前処理工程１および二酸化炭素と酸化エチレン混合ガスプラズマにおける殺菌効果は、プラズマにより化学的に活性化された酸素による被滅菌物の酸化過程により引き起こされると考えた。しかし、空気プラズマ後処理工程３における殺菌効果は、それとは異なる過程でもたらされると考えられる。何故ならば、もし、空気プラズマ前処理工程１と同様に化学的に活性化された酸素によるものだと仮定すると、工程３の処理時間は5分間であるので、余りに短すぎる時間の間に殺菌効果がもたらされることになる。しかも、工程１において、空気プラズマにおける殺菌効果は既に飽和している。
空気プラズマ後処理工程３において重要な点は、装置内（被滅菌物）の隅々に吸着酸化エチレンが残留している条件下で、空気プラズマが生成されていることである。
プラズマにより化学的に活性化された空気中の酸素が吸着酸化エチレンに作用し、殺菌過程に間接的に関与する過程が考えられる。図29(d)で示したように、空気中の酸素成分の消滅（消費）と吸着酸化エチレンの脱離・分解が観測されている。この実験結果は、吸着酸化エチレンは化学的に活性化された酸素により作用を受けていることを示す。
ここで、高濃度酸化エチレンガスを長時間拡散させる従来の方法による滅菌過程を改めて書き記すと、50℃前後の熱エネルギーにより一部の酸化エチレンガス（(CH₂)₂O）の酸素と炭素部分の結合が開裂し、その化学的に活性化した酸化エチレンガスが被滅菌物と反応（アルキル化）する。その結果、殺菌・滅菌が行われる。
酸化エチレンガスが50℃程度の熱エネルギーで活性化され得るということは、空気プラズマにより一万度以上の高エネルギーを持つと考えられる化学的に活性化された酸素により、容易にほとんどの吸着酸化エチレンが活性化され得る。従って、被滅菌物近傍に吸着したほとんどの酸化エチレンは、化学的に活性化された酸素から被滅菌物と反応するために必要な活性化エネルギーを受け、被滅菌物と反応すると考えられる。この反応は効率よく発生するため、低量の残留酸化エチレンであっても、有効な殺菌効果が短時間に現れると考えられる。
この過程に引き続いて、あるいは同時に、化学的に活性化された酸素による反応後の酸化エチレンおよび残留酸化エチレンの酸化分解過程が生ずる。但し、この時、図29(d)に示すように、初期封入酸素分子分圧が少なすぎる場合は、残留酸化エチレンが水と二酸化炭素に完全に分解されず、一部エタンへなどへ変換される。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、多相交流放電により発生させた空間的に一様なプラズマと低濃度の酸化エチレンガスを用いることにより、滅菌むらが小さく、高速で且つ残留性の低い酸化エチレンガス滅菌処理を実現できる。
従来の酸化エチレンガス滅菌処理に比べ、酸化エチレン濃度は1/50以下で、滅菌処理時間は滅菌および残留処理時間を含めて、1/10以下である。総合的な性能向上比は500倍以上である。実用化されているプラズマ滅菌処理の一つに過酸化水素プラズマ滅菌処理があるが、水を吸収するセルロース類の滅菌ができない欠点及び透過性に問題がある。本発明においては、透過性の良い酸化エチレンガスによる従来の滅菌処理が適用できるものと同様なものへ使用が可能であり、適用範囲が広い。
更に、ホルムアルデヒドガスを用いる場合でも同様な効果を実現可能である。
【００２８】
本発明で使用するガス滅菌装置において、先ず、多相交流放電で発生させた空間的に一様なプラズマにより、化学的に活性な酸素を空間的に一様に発生させ、次に、それを被滅菌物表面へ到達・作用させることにより被滅菌物表面の化学的反応性を高め、そして、滅菌ガス注入による空間的に偏りの無いガス滅菌が行われる。
装置内壁に沿って取り付けられた分割電極へ多相交流電源の各相成分を接続し、装置中央に取り付けられた被滅菌物を格納する金属メッシュ籠へ多相交流電源の中性点を接続する。放電は、各相の分割電極とメッシュ籠間で生じ、電源周波数の一周期の間に電極間を一回りする。その結果、放電の結果生じたプラズマが放射状に内側に向かって金属メッシュの籠の中へ拡散する。金属メッシュ籠の中に格納された被滅菌物周辺に、空間的にほぼ一様なプラズマが存在することになる。
プラズマ中において化学的に活性な酸素が被滅菌物周辺に偏り無く発生し、被滅菌物を包む滅菌パックを通過して被滅菌物表面に到達・作用する。化学的に活性な酸素により被滅菌物表面の化学的反応性が空間的に偏り無く高められ、その結果、滅菌ガス注入による空間的にむらの無いガス滅菌が行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施したプラズマ滅菌装置の部分横断面図である。
【図２】本発明を実施したプラズマ滅菌装置の部分縦断面図である。
【図３】本発明を実施した対称12相交流電源の模式図である。
【図４】本発明を実施したガス供給装置の構成図である。
【図５】本発明を実施したガス滅菌法の工程曲線図である。
【図６】D値を利用した滅菌グラフである。
【図７】酸化エチレンガスによりアルキル化される滅菌反応の化学式である。
【図８】細菌数と培養時間の関係グラフである。
【図９】空気プラズマの殺菌効果を確認するN到達時間の棒グラフである。
【図１０】生物学的インジケータの温度と空気プラズマ放電時間の関係グラフである。
【図１１】加熱による殺菌効果を確認するN到達時間の棒グラフである。
【図１２】混合ガスプラズマの殺菌効果を確認するN到達時間の棒グラフである。
【図１３】生物学的インジケータの温度と混合ガスプラズマ放電時間の関係グラフである。
【図１４】酸化エチレンガス圧力の時間変化特性を示すグラフである。
【図１５】酸化エチレンガスの吸着量を示す表である。
【図１６】酸化エチレンガス拡散による殺菌効果を調べる実験の工程曲線図である。
【図１７】図16の殺菌効果を確認するN到達時間の棒グラフである。
【図１８】図17の放電電流を60[mA]にした場合のN到達時間の棒グラフである。
【図１９】空気プラズマ後処理工程の殺菌効果を調べる実験の工程曲線図である。
【図２０】図19の殺菌効果を確認するN到達時間の棒グラフである。
【図２１】全処理工程における殺菌効果を調べる実験の工程曲線図である。
【図２２】図21の殺菌効果を確認するN到達時間の棒グラフである。
【図２３】放電電流を大きくした場合の殺菌効果を確認するN到達時間の棒グラフである。
【図２４】空気プラズマ前処理工程におけるガス質量分析スペクトルである。
【図２５】空気を構成するガス質量分析スペクトルデータである。
【図２６】図24の生物学的インジケータ無挿入時のガス質量分析スペクトルである。
【図２７】混合ガスプラズマにおけるガス質量分析スペクトルである。
【図２８】酸化エチレンガス、二酸化炭素、一酸化炭素の質量分析スペクトルデータである。
【図２９】空気プラズマ後処理工程におけるガス質量分析スペクトルである。
【符号の説明】
１ 真空容器
２ 絶縁シート
３ 分割電極
４ 二重管
５ メッシュ籠
６ 被滅菌物
７ 受電端子
８ ガス注入口
９ ガス圧力計
10 12相交流電源
11 ガス供給装置
12 ガス供給管
13 ヘパフィルタ
14 エア乾燥管
15 フローメータ
16 液化酸化エチレンガス
17 気化器
ａ 間隙
ｂ 中性点
Ｖ１、Ｖ２ プラグバルブ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas sterilization processing technique using a sterilization gas in a medical device.
In addition to this field, it can be used for sterilization treatment in pharmaceutical / food / cosmetic equipment.
[0002]
[Problems to be solved by the invention]
As a sterilization method, a high-pressure steam sterilization method, a hydrogen peroxide gas plasma sterilization method, an ethylene oxide gas sterilization method, or the like has been widely used in the medical and food fields.
Among them, the high-pressure steam sterilization method can be sterilized in a short time and harmless to the environment, but has a drawback that it cannot process a product having poor heat resistance and moisture resistance.
The hydrogen peroxide gas plasma sterilization method is capable of high-speed sterilization at low temperature and low humidity, and no harmful gas remains, but cannot treat fiber products, sponges and celluloses that absorb or adsorb hydrogen peroxide. Further, since hydrogen peroxide gas has low permeability, it is not suitable for sterilization of a long narrow structure.
The ethylene oxide gas sterilization method has been widely used for sterilization of plastics and rubber products that can be sterilized at low temperature and humidity and is difficult to steam sterilize, but has toxicity such as carcinogenicity. The permeability of ethylene oxide gas is good.
[0003]
Conventional sterilization treatment with ethylene oxide gas for medical equipment is sterilization treatment for 4 to 6 hours and harmful adsorption / residual oxidation under the conditions of concentration 450-1000 mg / ?, humidity 50-60% and temperature 40-60 ° C. Eight to twelve hours have been spent on removal by ethylene aeration. For this reason, there existed a problem that a sterilization process required a long time.
In addition, a large amount of explosive and toxic ethylene oxide gas must be used, and special handling is required for its handling, and special equipment is required to recover the ethylene oxide gas after use. .
[0004]
On the other hand, the present applicant has arranged the phase (control / adjustment) as a low-frequency AC power source that can stably generate a large-capacity discharge (low-ionization low-temperature plasma) disclosed in JP-A-8-330079. In order to efficiently generate the discharge disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-130836, using the power source, the first application for a phase-controlled multi-output type AC power supply device composed of a plurality of AC outputs was made. And a magnetic field composition method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-134994.
With these power sources and electrodes, power is distributed in a time-sharing manner to a plurality of electrodes whose phases are adjusted, and a multiphase alternating current discharge that is uniform in time average with no discharge pause in a wide frequency range, despite low frequency. Is generated while rotating at the power frequency.
[0005]
Therefore, the present invention has been made for the purpose of realizing high-speed and non-residue sterilization using a low concentration sterilization gas by applying this multiphase AC discharge plasma to a conventional gas sterilization method using a sterilization gas such as ethylene oxide gas. Is.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve this object, the present invention is configured as follows.
Low concentration (gas partial pressure is 1/760 atm to 1/76 atm) The surface of the object to be sterilized is cleaned with oxygen in a chemically active state to enable high-speed sterilization with sterilization gas such as ethylene oxide gas. To significantly increase the chemical reactivity of the surface of the object to be sterilized.
In order to allow only sterilization gas such as ethylene oxide gas to reach the object to be sterilized easily and perform sterilization with gas, gas such as air is exhausted from the inside of the sterilizer, and it is easy to diffuse under reduced pressure. A sterilizing gas such as ethylene oxide gas is sealed in the sterilizing apparatus.
In order to achieve non-residue of sterilization gas such as ethylene oxide gas, first, the gas concentration used is lowered to suppress the persistence, and then the remaining sterilization gas such as ethylene oxide gas is chemically activated. It is decomposed, gasified and exhausted into harmless carbon dioxide and water by oxygen in the state.
Here, chemically active oxygen can be easily generated in plasma in a gas atmosphere containing an oxygen element under reduced pressure (1/7600 atm to 1/760 atm).
Therefore, high-speed gas sterilization free from harmful residues is possible by the following process.
[0007]
That is, there is provided a step of leaving an object (microorganism) to be sterilized (stored in a sterilization pack) for a certain period of time in a plasma in a gas atmosphere containing an oxygen element under reduced pressure (1/7600 atm to 1/760 atm). As a result, the chemical reactivity of the surface of the object to be sterilized (microorganisms) was remarkably increased, and high-speed sterilization treatment with a sterilization gas such as low-concentration ethylene oxide gas was made possible.
Chemically active oxygen generated in the plasma in a gas atmosphere containing oxygen under reduced pressure passes through the pores (~ 10μm) of the sterilization pack and reaches the surface of the object to be sterilized (microorganisms). Then, the water or oil layer covering the surface of the microorganism is gasified and removed (cleaning of the surface), and the chemical reactivity with the sterilizing gas such as ethylene oxide gas on the surface of the microorganism is remarkably enhanced.
Here, the pore size of the sterilization pack is smaller than the minimum plasma size (Debye length) in normal weakly ionized low temperature plasma. Therefore, the plasma cannot pass through the holes of the sterilization pack and cannot directly act on the object to be sterilized. This is an important point to understand in advance when applying plasma to sterilization.
[0008]
In addition, the gas sterilization method of the present invention has a process for sterilizing by diffusing and adsorbing sterilization gas such as low concentration ethylene oxide gas in a short time, greatly reducing the amount of adsorbed / residual sterilization gas, and subsequently reducing the pressure. A process for decomposing and desorbing the adsorbed / residual sterilization gas in the plasma in a gas atmosphere containing the lower oxygen element is provided, and the adsorbed / residual sterilized gas is gasified to carbon dioxide or water vapor at high speed by oxygen in a chemically active state. Turned into. These two processes enable short-term sterilization and high-speed detoxification / residual processing.
The adsorbed / residual sterilized gas such as ethylene oxide gas undergoes a reaction as shown below, and is gasified into carbon dioxide and water vapor by oxygen in a chemically active state.
For ethylene oxide:
[Expression 1]

For formaldehyde:
[Expression 2]

However, carbon dioxide and water vapor can be easily dissociated into carbon monoxide, oxygen and hydrogen in the plasma.
Here, the treatment time is the whole process (plasma pretreatment step in a gas atmosphere containing oxygen element is about 20 minutes, sterilization treatment step with a sterilization gas such as ethylene oxide gas is about 20 minutes, plasma posttreatment step in a gas atmosphere containing oxygen element About 5 minutes) and about 1 hour.
[0009]
In addition, by using a sterilization gas such as low-concentration ethylene oxide gas, it is possible to reduce the risk of explosion and the toxicity of the leaked gas when sterilization gas such as ethylene oxide gas leaks outside the device.
In addition, in the process of exhausting the sterilization gas such as low-concentration ethylene oxide gas used in the sterilization process with a vacuum pump, water and the sterilization gas such as ethylene oxide gas are reacted by passing the sterilization gas through the water. Water-soluble ethylene glycol or formalin is used, and it is possible to absorb and recover sterilized gas into water. Since no harmful sterilizing gas is released into the atmosphere (environment), the environment is not polluted.
The reaction formula of ethylene oxide or formaldehyde with water is shown below.
[Equation 3]

[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0011]
1 and 2 show a partial cross-sectional view (AA ′ plane in FIG. 2) and a partial vertical cross-sectional view (B-B ′ plane in FIG. 1) of a gas sterilization apparatus embodying the present invention.
In the gas sterilization apparatus, 12 divided electrodes 3 having a circular arc in cross section are fixed in close contact with an inner wall of a cylindrical vacuum vessel 1 via an insulating sheet 2.
The divided electrodes 3 are arranged circumferentially with a slight gap a along the length direction of the vacuum vessel 1.
[0012]
The outer periphery of the vacuum vessel 1 is formed by a double tube 4, and cooling water is allowed to flow during discharge to cool the 12 pieces of divided electrodes 3 that are in close contact with the inner wall.
Inside the vacuum vessel 1, a cylindrical mesh basket 5 is inserted along the axis, and the article to be sterilized 6 is put therein.
In addition, a power receiving terminal 7 and a gas inlet 8 are provided at one end of the vacuum vessel 1, and a gas pressure gauge 9 is attached to the other end.
[0013]
The power receiving terminal 7 is connected to a symmetrical 12-phase AC power source 10 shown in FIG.
At this time, each phase component of the symmetrical 12-phase AC power source 10 is connected to 12 divided electrodes 3 attached to the inner wall (inner diameter: 100 mm, length: 500 mm) of the vacuum vessel 1.
Further, the neutral point b of the symmetrical 12-phase AC power supply 10 is connected to a mesh cage 5 (inner diameter: 50 mm, stainless steel 20 mesh) inserted concentrically.
However, the neutral point b is not grounded and is kept at a floating potential. This is because a potential difference is generated only between each divided electrode 3, the mesh basket 5, and the divided electrode 3.
Electrode numbers are assigned clockwise in the circumferential direction, and phase voltages having corresponding numbers are fed to the divided electrodes 3.
As a result, a symmetrical 12-phase alternating current having a phase shifted by 1/12 period and having the same amplitude is supplied to the 12 divided electrodes 3.
The main discharge is generated between each divided electrode 3 and the neutral point potential mesh 5 and moves in the direction in which the phase is delayed with time, and rotates by the power supply frequency (60 [Hz]) per second. The plasma generated by the electric discharge is incident (diffused) in a concentric manner through the mesh of the mesh basket 5 toward the center.
The plasma generation method using multiphase AC discharge has the following characteristics.
(a) It is possible to generate direct current plasma with little fluctuation in time without discharge pause despite low frequency.
(b) Power is distributed and fed to multiple electrodes with different phases in a time-sharing manner, and uniform plasma can be generated over a wide range of spatial regions on a time-average basis. Plasma is generated while rotating at the power frequency.
(c) Since the frequency is low, it is easy to increase the capacity of the power supply at low cost. Large volume plasma can be generated at low cost.
[0014]
The gas inlet 8 is connected to the gas supply pipe 12 of the gas supply device 11 shown in FIG.
The gas supply device 11 is aseptic from which germs and moisture have been removed through a hepa filter (HEPA: High Efficiency Ncy Particle Air filter, a filter with a collection rate of 0.3 μm particles of 99.97% or more) 13 and an air drying tube 14 filled with silica gel. The dry air is introduced into the vacuum vessel 1.
When a certain amount of air is introduced to make the gas pressure in the vacuum vessel 1 constant, air is introduced from the side with the flow meter 15 without closing the exhaust-side vacuum valve (not shown). At this time, the plug valve V1 is opened and the plug valve V2 is closed.
The ethylene oxide gas is introduced into the vacuum vessel 1 after the liquid liquefied ethylene oxide 16 is once introduced into the vaporizer 17 and gasified at room temperature. At this time, the plug valve V1 is closed and the plug valve V2 is opened.
When introducing a mixed gas of 80% carbon dioxide and 20% ethylene oxide gas into the vacuum vessel 1, reconnect the piping before the vaporizer. The gas injection speed is adjusted by the plug valve V2.
[0015]
In FIG. 5, the process curve figure of the gas sterilization method which implemented this invention is shown.
The gas sterilization method includes a pretreatment process in which a gas containing oxygen element is supplied to a sterilization chamber under low pressure to generate plasma, a sterilization process in which sterilization gas is supplied to the sterilization chamber under low pressure, and a sterilization chamber under low pressure again. It is constituted by a post-processing step in which a gas containing oxygen element is supplied to generate plasma.
[0016]
The pretreatment step is a step of increasing the chemical reactivity of the surface of the object 6 (microorganism) to be sterilized by oxygen in a chemically active state generated in the plasma. 6 is set and the vacuum vessel 1 is closed. Here, when depressurizing, in order to prevent the water adhering to the inner wall of the apparatus and the surface of the insert from evaporating in the process of vaporization, the hot water is poured into the double pipe 4 to prevent dew condensation on those surfaces. Preheat the inner wall temperature to about 45 ° C.
Next, the inside of the vacuum vessel 1 is depressurized to about 0.02 Torr (1 / 38,000 atm) as shown by the curve 21, and the outside air (air) is removed from the vacuum vessel 1 while removing water and various bacteria through the hepa filter 13 and the air drying tube 14. And filled to 0.25 Torr (1 / 3,000 atm) as shown by curve 22. At this time, a gas containing oxygen elements such as oxygen and carbon dioxide in addition to air may be introduced into the vacuum vessel 1.
The reason why the pressure is set to about this pressure value is that when the gas is air, the discharge start voltage is minimized in the vicinity of this pressure value.
Next, the 12-phase AC power supply 10 is turned on to generate a 12-phase AC discharge between the divided electrode 3 and the mesh cage 5 to diffuse the plasma into the mesh cage 5. Chemically active oxygen (oxygen atom radicals or excited oxygen molecules) generated in the plasma is transmitted through the pores of the sterilization pack and acts on the surface of the object 6 to be sterilized. The adsorbate (oil and fat, water, etc.) is desorbed from the surface of the article to be sterilized 6 to clean the surface, and the surface of the article to be sterilized 6 is chemically activated. In this process, a certain amount of sterilization of the article 6 is performed. The discharge power at this time is about 150W.
If discharge is performed continuously, problems such as an increase in gas pressure due to gas discharge during discharge and melting of a plastic sample due to generation of heat during discharge occur.
Therefore, as shown by curves 22, 23, and 24, discharge is intermittently performed several times in order to prevent changes in discharge conditions due to generation of gas during generation of discharge plasma and to suppress heating inside the apparatus. Discharge is performed for about 5 minutes, once the gas inside the apparatus is exhausted and decompressed to about 0.02 Torr, then air is introduced to atmospheric pressure. This is performed about 4 times as one cycle, and the discharge is performed for about 20 minutes. This time is a length assuming that the entire sterilization processing time is about 1 hour. Here, if the problem of gas or heat generation is small, the discharge plasma may be generated continuously.
[0017]
The sterilization process is a process in which low-concentration ethylene oxide gas is diffused and adhered to the vicinity of the article 6 to be sterilized. The double tube 4 of the vacuum container 1 is heated and accumulated in the vacuum container 1 in the pretreatment process. The exhausted gas is exhausted and the pressure is reduced to 0.02 Torr as shown by curve 24. Next, ethylene oxide gas (purity to 100%) is introduced into the vacuum vessel 1 and filled up to a gas pressure of 7.6 Torr (1/100 atm) at maximum as shown by a curve 25.
Next, the temperature of the double tube 4 of the vacuum vessel 1 is kept within a range of 45 to 50 degrees, and while activating the ethylene oxide gas with heat, it is diffused and penetrated deeply into the sterilized object 6 for pretreatment. The ethylene oxide gas is adsorbed on the surface of the article to be sterilized 6 cleaned in the process. In this process, the main sterilization / sterilization of the article 6 to be sterilized with ethylene oxide gas is performed. Assuming an overall processing time of about 1 hour, the diffusion time is about 20 minutes. After completion of the diffusion, the ethylene oxide gas inside the apparatus is exhausted and the pressure is reduced to about 0.02 Torr. Here, the ethylene oxide gas exiting the apparatus during the exhaust process is bubbled into water and recovered as ethylene glycol.
As shown by a curve 26, the ethylene oxide gas pressure value decreases exponentially with time from immediately after filling. This indicates that ethylene oxide gas is adsorbed on the sample surface or the like while diffusing into the vacuum vessel 1. Ethylene oxide gas is known as a gas having strong adsorptivity. The amount of gas reduction, that is, the amount of adsorption, increases as the initial filling pressure of ethylene oxide gas increases. Further, the amount of adsorption when the pretreatment process is performed is larger than when the pretreatment process is not performed.
[0018]
The post-treatment process is a process of chemically activating and sterilizing the adsorbed ethylene oxide by the initial plasma, and decomposing and desorbing the residual (adsorbed) ethylene oxide gas by the plasma. In a heated state, the ethylene oxide gas filled in the sterilization process is exhausted, and the pressure is reduced to 0.02 Torr as shown by a curve 27.
Next, after removing water and germs through the hepa filter 13 and the air drying tube 14, outside air (air) is introduced into the vacuum container 1 and filled to 0.25 Torr as shown by a curve 28.
At this time, similarly, a gas containing oxygen elements such as oxygen and carbon dioxide other than air may be introduced into the vacuum container 1.
Next, an air plasma is generated in the apparatus, and oxygen in a chemically active state generated in the plasma is allowed to act on the ethylene oxide remaining in the apparatus and on the surface of the object to be sterilized, so that water that is harmless to the environment. It decomposes and gasifies into carbon dioxide and leaves it. Residual ethylene oxide is small in the first place, and discharge plasma is generated for about 5 minutes.
Here, in an initial stage of plasma generation, oxygen in a chemically active state that has permeated through the pores of the sterilization pack acts on ethylene oxide adsorbed on the surface of the object 6 to be sterilized in the diffusion process of the sterilization process. Chemically activate ethylene (open carbon-oxygen bonds, etc.). As a result, the surface of the article to be sterilized 6 and the adsorbed ethylene oxide undergo a chemical reaction, and the article to be sterilized 6 is sterilized and sterilized.
Next, the gas accumulated in the vacuum vessel 1 is exhausted, and after reducing the pressure to 0.02 Torr as shown by the curve 29, the outside air (air) is removed from the vacuum vessel while removing water and various bacteria through the hepa filter 13 and the air drying tube 14. 1 and return to atmospheric pressure as shown by curve 30.
Next, the vacuum container 1 is opened and the article 6 to be sterilized is taken out.
[0019]
Examples of the present invention are shown below.
Sterilization in this example refers to a process that kills all microorganisms, including viruses. In practice, sterilization operates as a probabilistic concept. The sterility assurance level (Sterility AssuraNce Level: SAL) is set in advance, and the number and type of microorganisms (bioburden) that survive in the sterilized material per unit area and their lethal rate (to reduce the number of bacteria to 1/10) The required sterilization conditions for SAL are calculated from the time required for DAL). FIG. 6 shows an example of a sterilization graph using the D value. Currently 10 as SAL^-6(1 / 1,000,000) has been adopted internationally, and the same concept was adopted for the “final sterilization method” in the 13th supplement of the Japanese Pharmacopoeia. This means that the probability that one microorganism survives in an object to be sterilized per unit area after sterilization operation is once in 1 million times. Appropriate microbial monitoring must be performed in advance to know the bioburden to be assumed, but in many cases 10 per unit⁶The number of bacteria (1 million) is assumed, and the mortality rate is measured by using the most resistant bacteria to the sterilization method, that is, the indicator bacteria.
[0020]
The sterilization action of ethylene oxide gas in this example is due to alkylation of protein (proteiN) constituting microorganisms by ethylene oxide gas, and the chemical formula of the sterilization reaction is shown in FIG.
[0021]
The confirmation of the sterilization effect in this example was performed by inserting a biological indicator into the sterilizer. 3M Attest TM1264 is used as a biological indicator, and Bacillus subtilis, the most resistant strain to ethylene oxide gas, is placed in a sterile filter-covered container in a spore state of 3.2 × 10⁶Is stored.
After sterilization, the cells are cultured at 37 ° C. for 48 hours. If the culture solution does not change color, sterilization at the international sterility assurance level is achieved. When not sterilized, it turns yellow in a fully grown state. The ratio of the number of remaining bacteria to the initial number of bacteria, that is, the bactericidal effect in each sterilization step, can be known from the time difference until the complete growth state at the time of biological indicator culture.
Here, the spore state will be briefly described. Bacterial cells generally die when the surrounding environment is unfavorable for the growth of the bacteria. However, certain bacteria survive in a state called spores when environmental conditions such as dryness and high temperature deteriorate. Its resistance is highly resistant to physical and chemical stimuli. It covers dense protoplasms and nuclei with low moisture with thick shells, and has strong resistance to drying heat, chemical treatment such as disinfectant, ultraviolet rays and radiation. All spores are completely killed by autoclaving at 120 ° C for 15 minutes, but they can withstand boiling at 100 ° C.
In bacterial culture, the bacterial growth dn at dt time is proportional to the number of bacteria at that time and the growth time,
[Expression 4]

Can be written. Where a is the bacterial growth constant.
By integrating (1),
[Equation 5]

Thus, equation (2) is obtained. However, n₀Is the initial value of the number of bacteria during culture.
Here, when the biological indicator is cultured, the number of bacteria when the color of the culture solution turns yellow in a completely proliferated state is set to N, and the culture solution of the biological indicator due to the difference in the initial value of the number of bacteria Consider the difference in time until the color changes to yellow. The initial value is n₀₁And n₀₂In the case of the number of bacteria until the number of bacteria grows to N₁And t₂Then,
[Formula 6]

[Expression 7]

It is expressed. FIG. 8 shows a relationship graph between the number of bacteria and the culture time. From equations (3) and (4)
[Equation 8]

It becomes. Time difference t in the culture result from equation (5)₂-t₁Is the initial number n of bacteria₀₁, N₀₂It can be seen that it is proportional to the logarithm of the ratio of.
Therefore, the bactericidal effect in each step can be quantitatively known from the ratio of the number of remaining bacteria to the initial number of bacteria, that is, the time difference until the complete growth state at the time of biological indicator culture.
[0022]
[Example 1]
The following experiment was conducted to confirm the bactericidal effect in air plasma.
The biological indicator was set in a sterilizer and a treatment experiment using only air plasma was conducted. The sterilizing effect was examined by culturing the biological indicator. On the other hand, in order to measure the temperature rise of the biological indicator due to discharge / plasma generation and to investigate the sterilization effect due to the temperature rise, the biological indicator is heated in a thermostatic chamber under atmospheric pressure, and the effect A confirmation experiment was conducted.
a. Experimental method During depressurization, the sterilizer is kept at about 45 ° C under atmospheric pressure in order to prevent condensation on the surface due to heat of vaporization during the process of water evaporation on the inner wall of the device and the surface for inserting sterilized materials evaporating. Pre-warm. Hot water is poured into the double wall of the apparatus, or the apparatus is heated with a strip heater wound around the outer wall of the apparatus. When the entire apparatus is warmed, a biological indicator, which is a sterilized object, is inserted into the bag inside the apparatus, and the inside of the apparatus is decompressed to about 0.02 [Torr] with an oil rotary vacuum pump. Then, air is passed through a hepa filter and silica gel and introduced to 0.25 [Torr] while removing germs and moisture, respectively. After the discharge is generated and continued for 5 minutes, the air is once exhausted and decompressed to 0.02 [Torr], and the air is again introduced to 0.25 [Torr]. This is repeated several times as one cycle of discharge treatment. The reason for the intermittent discharge is to avoid changes in discharge conditions due to pressure increase due to gas generation during discharge, and because the biological indicator set inside is excessively heated by the discharge / plasma. Is to prevent. When the discharge treatment cycle is completed, air is introduced into the experimental apparatus through the hepa filter and silica gel until atmospheric pressure is reached. Remove the scientific indicator while opening the device. At this time, the surface temperature is measured with a thermocouple. b. Confirmation of bactericidal effect by biological indicator The biological indicator after treatment was placed in a specified incubator, and the time N until complete propagation was observed to examine the bactericidal effect in the treatment process. 9 (a) and 9 (b) show the sterilizing effect of air plasma. Here, FIG. (A) shows that the effective values of the first-phase discharge current (hereinafter referred to as discharge current) and discharge voltage (hereinafter referred to as discharge voltage) are 50 [mA], 270 [V], and This is the result when the average value of the sum of the power over all phases (hereinafter referred to as the discharge power value) is 120 [W]. On the other hand, FIG. (B) shows the case where the discharge current value, the discharge voltage value, and the discharge power value are 60 [mA], 285 [V], and 150 [W], respectively. In FIG. 9 (b), a set of three bar graphs means that three biological indicators have been simultaneously inserted into the device. This is because the initial bacterial count of the biological indicator varies, and it is desired to obtain a correct result from the average value of the culture data.
From Fig. 9 (a), when the total time of the air plasma treatment is up to 15 minutes, the complete breeding arrival time N is only slightly longer than in the case of no treatment, but it reaches when the total treatment time exceeds 20 minutes. It can be seen that the time N becomes longer stepwise. An increase in the complete breeding arrival time N indicates that there is a sterilization effect, and therefore, a certain amount of sterilization is performed only by leaving the sterilized packed object to be sterilized in an air plasma atmosphere for a certain period of time. However, even if the air plasma treatment time is increased, the sterilization effect does not increase. From Fig. 9 (b), it can be seen that when the total plasma plasma treatment time exceeds 10 minutes, the complete breeding arrival time N becomes longer stepwise, and the sterilization effect can be achieved with a shorter treatment time than in the case of Fig. 9 (a). . The length of the arrival time when the processing time is longer than 15 minutes is about 2 hours longer than that in the case of FIG. 9 (a), but there is no significant difference. Here, the discharge power for generating plasma is 150 [W], which is 25% larger than that in FIG. 9 (a). It can be said that when the discharge power is increased, the air plasma treatment process time as a pretreatment for sterilization can be shortened.
FIG. 10 shows the relationship between the vessel surface temperature of the biological indicator taken out immediately after the experiment and the discharge time. Here, the discharge current value is 50 [mA]. The temperature was measured by returning the inside of the apparatus to the atmospheric pressure and then pressing a thermocouple temperature sensor on the surface of the taken out indicator container. From FIG. 10, it can be seen that the biological indicator container is in direct contact with the air plasma and is therefore heated by the plasma as the total discharge treatment time increases. However, the heating temperature is at most about 90 ° C., and the influence (bactericidal) on the biological indicator (Bacillus subtilis) in the spore state by this heating is considered to be small.
c. Bactericidal effect by heating biological indicators under atmospheric pressure
In order to determine whether the biological indicator is sterilized by heating the container, the biological indicator was placed in a thermostatic bath at atmospheric pressure and tested. A biological indicator was inserted into a thermostatic chamber at a set temperature for 30 minutes, taken out, and then placed in an incubator to examine the bactericidal effect. FIG. 11 shows the change in the complete breeding arrival time N with respect to the temperature of the thermostatic chamber. It can be seen that when the temperature of the thermostatic chamber containing the biological indicator is set to 100 ° C. or higher, the arrival time N becomes longer than that in the case of no treatment, and a sterilizing effect by heating is produced. Here, when the temperature of the thermostatic chamber reaches 130 ° C. or more, the biological indicator container starts to deform and melt.
Comparing the result of FIG. 11 with the case of the air plasma of FIGS. 9 (a) and 9 (b), the temperature at which the complete breeding arrival time N starts to increase and the length of the arrival time N are high and short, respectively. From this result, the bactericidal effect observed in the air plasma treatment of FIGS. 9 (a) and 9 (b) is not caused by the heating of the biological indicator container by the plasma, but is related to the presence of the air plasma itself. It can be said that
[0023]
[Example 2]
In order to confirm the bactericidal effect when a mixed gas of 80% carbon dioxide and 20% ethylene oxide gas was used, the following experiment was conducted. We investigated what changes appear in the bactericidal effect due to the difference in the gas that generates the plasma.
a. experimental method
After pre-warming the sterilizer at about 45 ° C. under atmospheric pressure, a biological indicator is inserted into the experimental apparatus, and the inside of the apparatus is depressurized to about 0.02 [Torr] with an oil rotary vacuum pump. A mixed gas of 80% carbon dioxide and 20% ethylene oxide gas is introduced into the apparatus up to 0.25 [Torr]. After the discharge is generated and continued for 5 minutes, the gas is once exhausted and decompressed to 0.02 [Torr], and the mixed gas is again introduced to 0.25 [Torr]. This is repeated several times as one cycle of discharge treatment.
When the discharge treatment cycle is completed, air is introduced into the experimental apparatus through the hepa filter and silica gel until atmospheric pressure is reached. The scientific indicator was removed from the instrument and the surface temperature was measured with a thermocouple. Here, considering that the initial bacterial count of the biological indicator varies, three indicators were simultaneously inserted into the apparatus.
b. Confirmation of bactericidal effect using biological indicators
FIG. 12 shows the experimental results of the complete breeding arrival time with respect to the total discharge time.
Here, the discharge current, the discharge voltage value, and the discharge power value are 50 [mA], 285 [V], and 125 [W], respectively.
The discharge voltage is higher than that of air plasma (270 [V]). Since carbon dioxide is dissociated into carbon monoxide and a part of discharge energy is taken away, it is considered that the voltage rises to compensate for this.
From FIG. 12, it can be seen that the complete breeding arrival time N becomes longer than that in the case of no treatment after the total treatment time exceeds 10 minutes. Compared to the case of air plasma shown in Fig. 9 (a), in the case of mixed gas, the processing time that the arrival time starts to be longer is shortened by about 5 minutes, and the arrival time after 15 minutes is about 2 hours long. However, it is almost the same value.
FIG. 13 shows the relationship between the vessel surface temperature of the biological indicator taken out immediately after the experiment and the discharge time. Here, the reason why the data varies is because it shows values in several experiments. The discharge current value is 50 [mA]. The increase in the indicator surface temperature with respect to the total processing time is the same as that in the case of the air plasma of FIG.
From the results shown in FIGS. 12 and 13, it can be seen that a mixed gas plasma of carbon dioxide 80% and ethylene oxide gas 20% produces almost the same sterilizing effect as the air plasma. This suggests that sterilization is caused by factors common to the two cases.
The cause of the sterilization effect is thought to be due to oxygen in a chemically active state in any case. In the air plasma, oxygen in a chemically active state is generated from oxygen molecules as constituent components. In a mixed gas plasma of 80% carbon dioxide and 20% ethylene oxide, the carbon dioxide is dissociated into carbon monoxide and oxygen to produce oxygen in a chemically active state.
[0024]
[Example 3]
The following experiment was conducted to confirm the bactericidal effect due to the diffusion of ethylene oxide gas.
First, the adsorption characteristics of ethylene oxide gas during the ethylene oxide gas diffusion process were investigated. Next, in the sterilization experiment by diffusion of ethylene oxide gas, the effect was investigated in two cases with and without air plasma pretreatment. (1) Adsorption characteristics of ethylene oxide gas
a. experimental method
After pre-warming the sterilizer at about 45 ° C. under atmospheric pressure, a biological indicator was inserted into the experimental apparatus, and the inside of the apparatus was depressurized to about 0.02 [Torr] with an oil rotary vacuum pump.
First, ethylene oxide gas was introduced into the apparatus up to 0.25 [Torr], sealed and diffused for 20 minutes, and the adsorption characteristics of ethylene oxide gas when no air plasma pretreatment was performed were examined. Next, after pretreatment with air plasma, ethylene oxide gas was introduced into the apparatus up to 0.25 [Torr], sealed and diffused for 20 minutes, and the adsorption characteristics of ethylene oxide gas were examined.
Furthermore, after pre-treatment with air plasma for 10 minutes, ethylene oxide gas was introduced to several pressure values, sealed and diffused for 10 minutes, and the change in adsorption characteristics of ethylene oxide gas due to the difference in initial concentration was investigated. It was.
b. Experimental result
FIG. 14 shows the time change (adsorption characteristics) of the ethylene oxide gas pressure. Here, the data connected by a broken line is a pressure value when ethylene oxide gas is sealed and diffused without performing the air plasma pretreatment. On the other hand, the data connected by the solid line is that when ethylene oxide gas is sealed and diffused after air plasma pretreatment (total treatment time of 20 minutes).
From FIG. 14, it can be seen that the decrease in the ethylene oxide gas pressure is larger when the air plasma pretreatment is performed than when the air plasma pretreatment is not performed. When the adsorption amount of ethylene oxide gas at the end of diffusion (after 20 minutes) is calculated from the decrease in gas pressure, it is 11.6 mg in the case of air plasma pretreatment and 4.8 mg in the case of no air plasma pretreatment. Here, the internal volume of the apparatus was 5.5 ?, and the ethylene oxide gas temperature in the apparatus was 45 ° C.
The increase in the amount of ethylene oxide adsorbed by the air plasma pretreatment increases the chemical reactivity of the object surface (including biological indicators that are to be sterilized) inside the device by cleaning the inside of the device with the air plasma. This is thought to be because ethylene oxide gas became easier to adsorb.
FIG. 15 shows the change in the adsorption amount of ethylene oxide gas with respect to the initial sealing pressure. Here, the total time of the air plasma pretreatment is 10 minutes, and the encapsulation / diffusion time is 10 minutes. FIG. 15 shows that the adsorption amount of ethylene oxide gas decreases when the initial sealing pressure is low.
On the other hand, comparing the gas pressure value after 10 minutes when the initial enclosure pressure value in FIG. 15 is 0.76 [Torr] and the gas pressure value at the same enclosure time with the air plasma pretreatment in FIG. It can be seen that is lower. This difference is considered to be due to the difference in the total time of the air plasma pretreatment. This is because it takes 10 minutes in the case of FIG. 15 and 20 minutes in the case of FIG. When the air plasma pretreatment is short (in a time zone in which the inside of the apparatus is not yet sufficiently cleaned), it is considered that the chemical reactivity of the internal surface is not sufficiently activated and ethylene oxide is hardly adsorbed.
(2) Disinfection effect of ethylene oxide gas diffusion
a. experimental method
FIGS. 16 (a) and 16 (b) show an experimental process for investigating the sterilization effect by the ethylene oxide gas diffusion.
Here, the initial filling pressure of ethylene oxide gas is 7.6 [Torr], and the diffusion time is 20 minutes.
FIG. 16 (a) shows a case where no air plasma pretreatment is performed and purely ethylene oxide gas diffusion. FIG. 16 (b) shows a process when air plasma pretreatment and ethylene oxide gas diffusion are performed.
In FIG. 16 (a), when the sterilization apparatus was preheated to about 45 ° C. under atmospheric pressure, a biological indicator was inserted in the apparatus in advance and heated. This is because, in the process of FIG. 16 (b), the temperature condition is made the same considering that the biological indicator is heated in the air plasma pretreatment process.
In FIG. 16 (b), the total time of air plasma pretreatment was set to 20 minutes (4-cycle discharge).
b. Experimental result
FIG. 17 shows the complete propagation arrival time N of the biological indicator after each process. Step 1 represents an air plasma pretreatment (total time 20 minutes) step, and step 2 represents an ethylene oxide gas diffusion treatment step. Step 1 + Step 2 represents performing two processing steps in succession. Here, the discharge current and the discharge voltage in Step 1 are 50 [mA] and 270 [V], respectively. The discharge power value is approximately 120 [W].
From FIG. 17, it can be seen that the sterilization effect in the process including the process 1 and the process 2 is larger than the sterilization effect of each process. Step 2, that is, the biological indicator is preheated to about 45 ° C., and a low concentration (7.6 [Torr]) of ethylene oxide gas is introduced and diffused in a vacuum (0.02 [Torr]). In the process, even a single process has a certain degree of sterilization effect.
As a mechanism that brings about a great sterilization effect when the two steps are combined, the air plasma pretreatment in step 1 cleans the inside of the apparatus (including the object to be sterilized) and increases the chemical reactivity of the surface. It is considered that the amount of ethylene oxide gas adsorbed on the surface increased and the bactericidal effect of ethylene oxide gas increased.
FIG. 18 shows the complete propagation arrival time N of the biological indicator after each process when the discharge current in the air plasma pretreatment (total time: 20 minutes) process is set to 60 [mA]. Here, the discharge voltage value in step 1 is 285 [V]. The discharge power value is about 150 [W].
As shown in FIG. 18, when the discharge voltage increases, that is, when the input power increases, the complete breeding arrival time N is 48 hours or more (actually, in the combined process of the air plasma pretreatment step 1 and the ethylene oxide diffusion treatment step 2) It can be seen that complete sterilization is achieved.
This result shows that when the pretreatment process by air plasma is effectively performed, sterilization can be performed at a high speed (about 20 minutes) with low concentration ethylene oxide gas. It is one of the most important results in the present invention.
[0025]
[Example 4]
In order to confirm the bactericidal effect in the air plasma post-treatment process, the following experiment was conducted.
In the following, the experimental results when only the ethylene oxide gas diffusion step 2 and the air plasma post-treatment step 3 were performed without performing the air plasma pre-treatment step 1, and all the steps 1, 2, and 3 were performed. Shows the results of the case.
(1) Sterilization effect when only ethylene oxide gas diffusion and air plasma aftertreatment
19 and 20 show an experimental process for examining the sterilization effect of the short-time air plasma post-treatment process 3 added after the ethylene oxide gas diffusion process 2, and the sterilization result at that time, respectively. Here, the initial filling pressure of ethylene oxide gas is 7.6 [Torr], and the diffusion time is 20 minutes. The air plasma post-treatment time is 5 minutes, the discharge current is 50 [mA], the discharge voltage is 270 [V], and the discharge power is about 120 [W].
From the results of FIG. 20, it can be seen that the sterilizing effect that appears after the air plasma post-treatment step 3 is increased as the initial sealing pressure in the ethylene oxide gas diffusion step 2 is increased.
Here, the complete breeding arrival time N when the initial pressure of ethylene oxide gas filling is 7.6 [Torr] is 28 hours. On the other hand, when only the ethylene oxide diffusion process 2 under the same conditions shown in FIG. 17 is used, 18.5 hours, and when the air plasma pretreatment process 1 (total 20 minutes) and process 2 shown in FIG. It is. From the comparison of these arrival times, it can be seen that the sterilization effect in this process is very large and efficient even though the process time of the air plasma post-treatment is as short as 5 minutes.
Practically, what should be noted in FIG. 20 is that the sterilization effect is obtained even at an enclosure pressure of 3.8 [Torr] although the data varies. The ethylene oxide gas concentration at this pressure corresponds to a value of about 1/100 of the conventional ethylene oxide gas concentration.
It is unclear how much ethylene oxide residual adsorption amount in the apparatus immediately before the air plasma post-treatment step 3 is. This is because it is considered that a part of the adsorbed ethylene oxide is gasified and discharged in the exhaust / depressurization (0.02 [Torr]) process after the ethylene oxide gas diffusion / adsorption process.
As a sterilization mechanism in the air plasma post-treatment process, the remaining ethylene oxide is activated by oxygen in a chemically active state generated in air plasma, and chemical reactivity with non-sterile substances is promoted. The following scenario can be considered.
(1) Ethylene oxide is adsorbed in the vicinity of the object to be sterilized in the ethylene oxide gas diffusion step 2, and a part thereof remains without being vaporized after evacuation.
(2) The ethylene oxide remaining in the vicinity of the object to be sterilized is bombarded by high-energy electrons and ions acting as oxygen and particles in the chemically active state generated in the air plasma in the post-processing step 3. Receive.
(3) Residual ethylene oxide obtains activation energy necessary for a chemical reaction with an object to be sterilized by impact.
(4) Residual ethylene oxide that has obtained the activation energy immediately causes a chemical reaction with an object to be sterilized in the vicinity to sterilize the object to be sterilized.
(2) Sterilization effect of air plasma post-treatment when all treatment steps are performed
a. When discharge current is the same in air plasma pre-treatment and post-treatment
21 and 22 show an experimental process for examining the sterilizing effect of the air plasma pretreatment process 1 + the ethylene oxide gas diffusion process 2 + the air plasma post-treatment process 3, and the sterilization result at that time. Here, in the air plasma pretreatment step 1 and the posttreatment step 3, the discharge current is 50 [mA], the discharge voltage is 270 [V], and the discharge power is about 120 [W].
From the result of FIG. 22, it can be seen that the time to reach full breeding can be extended by 6 hours simply by adding the air plasma process 3 for a short time (5 minutes) to the two treatment processes. That is, it can be seen that an efficient sterilizing effect is produced in the last step 3.
As a sterilization mechanism over the entire process, the following scenario is considered to be added to the forefront part of the scenario described above.
(1) The inside of the apparatus (including sterilized materials) is subjected to impacts (actions) of high-energy electrons and ions that act as chemically active oxygen and particles generated in the air plasma in the pretreatment step 1. receive.
{Circle around (2)} The inside of the apparatus (including sterilized items) is cleaned by the impact (action) above, and the chemical reactivity inside the apparatus is enhanced. At this time, a certain degree of bactericidal effect also appears.
{Circle around (3)} When ethylene oxide gas is diffused in step 2 into the apparatus with enhanced chemical reactivity, the ethylene oxide gas is likely to be adsorbed inside the apparatus (including sterilized materials). At this time, a strong sterilization effect, that is, a sterilization effect appears.
b. When the discharge current is increased in the air plasma post-treatment process
FIG. 23 shows the bactericidal effect when the discharge current in the air plasma post-treatment step 3 is increased in all treatment steps. Here, when the discharge current is 50 [mA], 60 [mA] and 70 [mA], the discharge voltage is 270 [V], 285 [V] and 300 [V], respectively, and the discharge power is about 120 [V], respectively. W], 150 [W] and 180 [W].
From the experimental results shown in FIG. 23, it can be seen that if the discharge current in step 3 is increased too much, the complete breeding arrival time N becomes shorter and the sterilization effect is reduced.
In step 3, decomposition of residual ethylene oxide in air plasma (to carbon dioxide, water, carbon monoxide, hydrogen) and desorption occur simultaneously. Therefore, if the discharge current in Step 3, that is, the discharge power becomes too large, this desorption and decomposition action becomes larger than the activation action of residual ethylene oxide by plasma, and as a result, the sterilization effect in Step 3 becomes small. Conceivable.
[0026]
[Example 5]
How the residual ethylene oxide is decomposed and detoxified in the air plasma post-treatment step 3 was examined by analyzing the gas components in the apparatus.
First, it was investigated what changes appear in the gas components in the apparatus due to the generation of air plasma in the pretreatment step 1. At this time, the difference in gas components between the case where an object to be sterilized (actually, a biological indicator) was inserted into the apparatus and the case where nothing was inserted was examined, and the effect produced in the air plasma pretreatment step 1 was examined. .
Next, gas analysis was performed on plasma using a mixed gas of carbon dioxide 80% and ethylene oxide 20%. This is due to the following two reasons. One is to examine why the sterilizing effect (similar to the air plasma in the pretreatment step 1) is obtained in this mixed gas plasma as shown in FIG. The other is to know in advance how ethylene oxide changes due to the presence of plasma under the condition that ethylene oxide gas is present at a certain known rate. Because the amount of ethylene oxide remaining in the apparatus after step 2 is unknown and very small, it was expected that it would be difficult to know the change in step 3 correctly. Finally, gas analysis in the air plasma post-treatment step 3 was performed. Based on the data including the results of the above two cases, how ethylene oxide remaining in the device is decomposed and detoxified in step 3, and why the sterilizing effect is produced in this step. It was investigated.
The gas analysis was performed every time when the discharge plasma was generated, and the mass spectrometry spectrum displayed on the monitor screen of the quadrupole mass spectrometer (Nippon Anelva, AQA-100MPX) was taken with a video camera. The images were captured on a computer through a video capture board after the experiment was completed. The gas species were identified by referring to a gas mass spectrometry spectrum database.
(1) Air plasma in pretreatment step 1
First, it was investigated what changes appear in the gas components in the apparatus due to the generation of air plasma in the pretreatment step 1. At this time, the difference in gas components between the case where an object to be sterilized (actually, a biological indicator) was inserted into the apparatus and the case where nothing was inserted was examined, and the effect produced in the air plasma pretreatment step 1 was examined. .
a. When a biological indicator is inserted into the device
24 (a), (b), (c) and (d) show the transition of the gas mass spectrometry spectrum results in the air plasma pretreatment step 1 when a biological indicator is inserted into the experimental apparatus. FIG. 24 (a) shows the mass spectrum of the gas species remaining in the analysis system (pipe section, exhaust section, and analysis tube section), which is the base level for gas analysis. FIGS. 24 (b), (c) and (d) show mass spectra immediately before discharge, immediately after discharge and after 5 minutes of discharge, respectively. Here, the horizontal axis is M / Z, M is the mass number, and Z is the ion valence. However, Z = 1 when neutral, and Z = 2 when monovalent ions.
The initial containment gas pressure of air is 0.25 [Torr], the discharge current is 60 [mA], and the discharge voltage is 293 [V].
In FIG. 24 (a), a small peak is observed at M / Z = 18.₂It can be seen that O = 1 × 2 + 16 = 18, Z = 1) exists. In general, water is stably adsorbed on most vacuum apparatus walls, and does not readily desorb even after evacuation for a long time. From FIG. 24 (b), peaks are observed at M / Z = 14, 18, 28, 32 and 40 in the mass spectrometry spectrum before discharge. Here, the composition of air is 78.084% nitrogen, 20.948% oxygen, 0.938% argon, and 0.033% carbon dioxide. FIG. 25 shows mass spectrum data for these gas species. Here, the reason why the spectrum peculiar to the gas species appears is that a specific dissociation component is generated in the process of ionizing and analyzing the gas with an electron beam. The spectrum that appears outside the peak that should be detected is called the fragment component.
Referring to the data in FIG. 25, in FIG. 24 (b), the gas species corresponding to the spectrum of M / Z = 14, 28 are nitrogen molecules (N₂= 14 × 2 = 28, Z = 1), M / Z = 18 is water vapor, M / Z = 32 is oxygen molecule (O₂= 16 × 2 = 32, Z = 1) and M / Z = 40 are argon atoms (Ar = 40, Z = 1).
It was confirmed that the gas components in the apparatus were water vapor and air introduced into the apparatus.
From FIG. 24 (c), peaks are observed at M / Z = 2, 14, 18, 28, 32, 40 and 44 in the gas mass spectrometry spectrum immediately after the generation of the discharge plasma. Compared with FIG. 24 (b), new peaks appear at M / Z = 2 and 44. These two peaks show that M / Z = 2 is a hydrogen molecule (H₂= 1x2, Z = 1), and M / Z = 44 is carbon dioxide (CO₂= 12 + 16 × 2 = 44, Z = 1).
Comparing FIGS. 24 (c) and 24 (b), that is, looking at changes in the internal gas components immediately before and after the start of discharge, the peak of oxygen molecules in FIG. It can be seen that a new peak appears and the water vapor peak increases.
From Fig. 24 (d), peaks are observed at M / Z = 2, 12, 14, 16, 17, 18, 28, 32, 40 and 44 in the mass spectrometry spectrum 5 minutes after the discharge plasma generation. . Compared with FIG. 24 (c), new peaks appear at M / Z = 12, 16 and 17. Referring to the spectrum data in FIG. 25, M / Z = 12 is a fragment component of the spectrum of carbon dioxide and / or carbon monoxide, and M / Z = 16 is a fragment component of the spectrum of water vapor and carbon dioxide or / and carbon monoxide. And M / Z = 17 is a fragment component of the water vapor spectrum.
Here, in the peak of M / Z = 28, the nitrogen molecule overlaps that of the carbon monoxide spectrum, but the peak change in FIG. 24 (d) is considered to represent the carbon monoxide spectrum. For the following reasons.
(1) Since there is no change in the value of M / Z = 14, which is a fragment component of the (mass spectrometry) spectrum of nitrogen molecules, there is no change in the main spectrum of nitrogen molecules (M / Z = 28). Therefore, the increase in peak at M / Z = 28 is due to an increase in carbon monoxide or a gas species having a fragment component there, that is, carbon dioxide.
(2) The size of the M / Z = 28 fragment component of the carbon dioxide spectrum is about 10% of the original. The increase in peak at M / Z = 28 is greater than the magnitude of the main spectral component of carbon dioxide at M / Z = 44.
Compared with Fig. 24 (d) and (c), that is, when the change in the internal gas components with the passage of time of discharge plasma generation is seen, oxygen molecules are further reduced and almost disappeared, and carbon monoxide appears newly. The peaks of hydrogen molecules and water vapor and carbon dioxide are increasing. The results of FIGS. 24 (d), (c), and (b) show that oxygen, which is a component of air, is chemically activated by the generation of air plasma, and reacts with organic matter including carbon and hydrogen inside the device. This suggests that oxygen consumption and generation of carbon dioxide and water occur. Here, it is considered that dissociation of carbon dioxide and water vapor and desorption of water adsorbed on the inner wall of the apparatus (including an object to be sterilized) are caused simultaneously by the plasma energy.
The following chemical reaction formula can be considered.
Organic substances including C and H + O₂ ^*(Or 2O) → (Reaction) aCO₂ + bH₂O + cH₂
H₂O (adsorbed water on the inner wall of the device) → (desorption) H₂O (water vapor)
Some 2CO₂  → (Dissociation) 2CO + O₂
Some 2H₂O (water vapor) → (dissociation) 2H₂+ O₂
However,^*Represents an excited state, and a, b and c represent arbitrary integers.
b. When no biological indicator is inserted
FIGS. 26 (a), (b), (c) and (d) show the transition of the gas mass spectrometry spectrum results in the pretreatment step 1 when no biological indicator is inserted in the experimental apparatus. Fig. 26 (a) shows the mass spectrum of the gas species remaining in the gas analysis system, and Figs. 26 (b), (c) and (d) show the mass spectrum immediately before the discharge, immediately after the discharge and after 5 minutes of the discharge, respectively. Indicates. Here, the discharge plasma conditions are the same as before.
24 (a), (b), (c) and (d) are compared with the analysis results in the same time zone, respectively, and the change due to the presence or absence of the biological indicator is examined.
The gas mass spectrometry spectrum results in the gas analysis system and the apparatus immediately before the generation of the discharge plasma are essentially the same because they are measured under the same conditions. Slight water vapor is detected in the gas analysis system, and air and water vapor are detected in the apparatus.
26C and FIG. 24C, which are mass spectrometry spectra immediately after the discharge, show almost the same results. As the discharge starts, the peak of oxygen molecules decreases, the peak of hydrogen molecules and carbon dioxide appear, and the peak of water vapor increases.
However, there is a difference between FIG. 26 (d) and FIG. 24 (d), which are mass spectrometry spectra after 5 minutes of discharge. In the case of Fig. 26 (d) where the biological indicator is not inserted, the decrease amount of the oxygen molecular main spectrum is smaller, and the main spectrum of the newly appearing carbon monoxide (it overlaps with the nitrogen molecule main spectrum, so the increase ) And the increase in the main spectrum of hydrogen molecules, water vapor and carbon dioxide is small.
The case of the biological indicator inserted into the apparatus during sterilization and sterilization and the sterilization filter attached to its mouth are made of plastic. Also, Bacillus subtilis spores stored inside the case are applied to paper. Plastics and paper are made of organic polymer materials (consisting of C, H, O), so they can easily react with chemically active oxygen and be gasified to carbon dioxide and water vapor .
From the result of FIG. 26 (d), since the biological indicator of the organic substance to be chemically reacted with the oxygen radical generated by the plasma is not inserted inside the apparatus, the consumption of oxygen is small, and carbon dioxide or water vapor as the reactant is used. It can be said that there are few. Here, even when the biological indicator is not inserted, it is considered that oxygen is consumed to some extent and carbon dioxide and water vapor are generated because slight dirt such as oil and fat is adhered to the inside of the apparatus.
c. Consideration of sterilization process in process 1
From the above gas analysis results, it is suggested that the following occurs in the air plasma pretreatment step 1.
1) Oxygen, which is a component of air, is brought into a chemically active state by the generation of plasma.
2) Oxygen that is in a chemically active state causes a chemical reaction with organic substances adhering to the internal surface of the device (including the object to be sterilized), and the adhering substance is gasified and desorbed from the surface. At this time, water adsorbed on the internal surface of the apparatus (including sterilized materials) is also desorbed. In this process, a part of the organic matter constituting the surface of the microorganism is oxidized, and a bactericidal effect is also produced.
3) The internal surface of the device (including the object to be sterilized) is cleaned, and the chemical reactivity of the surface is remarkably enhanced.
Since the surface inside the apparatus (including the object to be sterilized) whose chemical reactivity is remarkably enhanced reacts with the injected ethylene oxide gas very efficiently, it is described by the sterilizing effect of the ethylene oxide gas diffusion in Example 3. As in experiments, high-speed sterilization and sterilization can be achieved even at extremely low gas concentrations.
(2) Plasma using a mixed gas of 80% carbon dioxide and 20% ethylene oxide
a. Gas analysis experiment
FIGS. 27 (a), (b), (c) and (d) show the transition of gas mass spectrometry spectrum results in a mixed gas plasma of 80% carbon dioxide + 20% ethylene oxide. FIG. 27 (a) shows the results for the residual gas in the analysis system, and FIGS. 27 (b), (c) and (d) show the results for the gas in the apparatus immediately before the discharge, immediately after the discharge and after 5 minutes of the discharge, respectively. Show. Here, the initial containment gas pressure of the mixed gas of carbon dioxide 80% and ethylene oxide gas 20% is 0.25 [Torr], the discharge current is 60 [mA], and the discharge voltage is 299 [V].
FIG. 27 (a) is the same as FIG. 26 (a) and FIG. 24 (a), and shows that water vapor remains slightly in the gas analysis system.
From FIG. 27 (b), in the mass spectrometry spectrum immediately before the discharge, in addition to the components shown in FIG. 27 (a), M / Z = 12, 14, 15, 16, 22, 28, 29, 43 and 44 A peak is observed at this point. Here, as reference data for confirming the gas species in the apparatus, in FIG. 28 (a), (b) and (c), gas mass spectrometry for ethylene oxide gas, carbon dioxide and carbon monoxide extracted from the database Each spectrum is shown. Each spectrum is graduated with a main peak of 100.
Referring to FIGS. 28 (a) and (b), the spectra of M / Z = 14, 15, 29, 43 and 44 in FIG.27 (b) correspond to ethylene oxide, and M / Z = 12, 16, 22 , 28 and 44 peaks correspond to carbon dioxide. Therefore, it is confirmed that the gas component introduced into the apparatus is a mixed gas of carbon dioxide and ethylene oxide.
From FIG. 27 (c), in the mass spectrometry spectrum immediately after the discharge, the peaks of M / Z = 2 and 28 are larger than those of FIG. 27 (b), and a small peak is newly added at M / Z = 32. Appears. Since the other spectra have almost the same size, the gas generated immediately after the generation of the discharge plasma is hydrogen, carbon monoxide and oxygen when the gas type is identified from the data of FIG. These are considered to generate the following reaction by obtaining energy from plasma.
2CO₂   → (Dissociation) 2CO + O₂
H₂O (adsorbed water) → (desorption) H₂O (water vapor)
2H₂O (water vapor) → (dissociation) 4H₂+ O₂
From Fig. 27 (d), peaks were observed at M / Z = 2, 12, 14, 16, 17, 18, 27, 28, 29 and 44 in the gas mass spectrometry spectrum 5 minutes after the discharge plasma generation. The Compared with FIG. 27 (c), the peaks at M / Z = 2, 18 and 28 are very large, and the peak at M / Z = 44 is much smaller. When the gas species are identified with reference to the spectral data of FIGS. 25 and 28, it can be seen that the generation of hydrogen, water vapor, and carbon monoxide increases while the carbon dioxide decreases. Now, consider ethylene oxide gas. In the spectrum result of FIG. 27 (d), the peak at M / Z = 15 disappears, the peak at M / Z = 29 becomes very small, and the peak at M / Z = 43 disappears. Here, the carbon monoxide fragment spectrum overlaps the peak of M / Z = 29, and the main spectrum of carbon dioxide overlaps the peak of M / Z = 44. Therefore, a gas mass spectrometry spectrum characteristic of ethylene oxide as shown in FIG. 28 (a) is not observed.
On the other hand, the small peak appearing at M / Z = 27 is ethane (C₂H₆= 30) The fragment spectrum may be considered. According to the database, the mass spectrum of this gas species is that the main peak is M / Z = 28 (100%), the first subpeak is 27 (33%), the second subpeak is 29 (22%), The third subpeak is 26 (23%) and the fourth subpeak is 14 (3%). In FIG. 27 (d), it can be seen that all peaks corresponding to this are observed. Ethane is also between ethylene oxide and hydrogen.
C₂H_FourO + 2H₂  → C₂H₆+ H₂O
Can be produced by the reaction of
From the above results, it is considered that ethylene oxide gas and carbon dioxide are decomposed by the following reaction by energy from the discharge plasma for 5 minutes.
[Equation 9]

Here, it is considered that oxygen generated from the dissociation reaction of carbon dioxide and water vapor is activated by the energy from the discharge plasma, and is converted into a molecule or atom having a higher chemical reactivity.
[Expression 10]

b. Consideration of sterilization process from gas analysis results
As already described in FIG. 12 of Example 2, almost the same sterilizing effect was produced in the air plasma and the mixed gas plasma of 80% carbon dioxide and 20% ethylene oxide gas. That is, similar sterilization results were obtained with plasmas generated in different gases. Therefore, since the bactericidal effect is considered to be caused by factors common to the two cases, the factors are examined from the results common to the two cases in the gas analysis experiment.
Comparing the gas analysis results in the two cases 5 minutes after the discharge plasma generation shown in FIG. 24 (d) and FIG. 27 (d), the common point is the generation of hydrogen, water and carbon monoxide. Here, the comparison with respect to carbon dioxide is difficult because carbon dioxide already exists in the case of mixed gas plasma. These gases are considered to be generated as a result of an oxidation reaction of a carbon compound by oxygen and a dissociation reaction of water vapor and carbon dioxide as already described in each gas analysis. On the other hand, since microorganisms to be sterilized / sterilized are organic substances (including carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen, etc.), it is considered that sterilization / sterilization is performed by an oxidation reaction with oxygen. Therefore, a common point that can be linked to the sterilization effect from the gas analysis results in the two cases is that it is estimated that an oxidation reaction by oxygen occurs in the plasma.
In the air plasma, oxygen, which is a component of air, and in the mixed gas plasma of carbon dioxide 80% and ethylene oxide gas 20%, the oxygen generated from the dissociation of carbon dioxide is chemically activated by the plasma and oxidized. Wake up. As a result, it can be said that the same sterilizing effect was obtained even though the gas from which the plasma was generated was different.
The reason why only a sterilizing effect similar to that in the case of air plasma was obtained in spite of the fact that ethylene oxide gas originally having a sterilizing effect was contained in the mixed gas was that oxygen dissociated from carbon dioxide in the mixed gas plasma This is because ethylene oxide has been decomposed by the above. In general, gas is plasmatized to increase its chemical reactivity. However, since ethylene oxide gas is an unstable gas in the first place, it can be said that it is not appropriate to directly increase its chemical reactivity by plasmatization. This is one of the important results to keep in mind.
(2) Air plasma in post-treatment process 3 after ethylene oxide diffusion and exhaust
Gas analysis in the air plasma post-treatment step 3 was performed. Then, how the ethylene oxide remaining in the apparatus is decomposed / detoxified in the step 3 and why the sterilizing effect is produced in this step was examined.
a. Gas analysis experiment
FIGS. 29 (a), (b), (c) and (d) show the transition of the gas mass spectrometry spectrum results in the air plasma post-treatment step 3. FIG. FIG. 29 (a) shows the mass spectrum of the gas species remaining in the analysis system. FIGS. 29 (b), (c) and (d) show mass spectra immediately before discharge, immediately after discharge and after 5 minutes of discharge, respectively.
Here, a biological indicator was inserted in a state where the experimental apparatus was heated to about 45 ° C., and the gas in the apparatus was evacuated by a vacuum pump and the pressure was reduced to 0.02 [Torr]. Ethylene oxide gas was injected to an initial pressure of 7.6 [Torr], and was diffused and adsorbed in a sealed state for 20 minutes. Then, the gas in the apparatus was exhausted, and after reducing the pressure to 0.02 [Torr], air was introduced to a pressure of 0.25 [Torr]. The discharge current is 60 [mA] and the discharge voltage is 290 [V].
From FIG. 29 (b), peaks are observed at M / Z = 14, 15, 16, 18, 28, 29, 32, 40 and 44 in the gas mass spectrometry spectrum immediately before the discharge. Here, referring to the table of FIG. 25 and the spectrum data of FIG. 28, it can be seen that the spectra of M / Z = 14 and 28 represent nitrogen molecules, 32 represents oxygen molecules, and 40 represents argon. On the other hand, it can be seen that M / Z = 15, 16, 29 and 44 represent the spectrum of ethylene oxide.
Therefore, it can be seen that the gas components in the apparatus are the introduced air gas and a gas in which a part of the ethylene oxide adsorbed and remaining in the apparatus in the immediately preceding step 2 is vaporized.
From FIG. 29 (c), in the gas mass spectrometry spectrum immediately after the discharge plasma generation, compared with the result of FIG. 29 (b), the hydrogen corresponding to M / Z = 2 suddenly increases and the oxygen corresponding to 32 is increased. A little smaller. From Fig. 29 (d), there are peaks at M / Z = 2, 12, 14, 16, 17, 18, 26, 27, 28, 29, 40 and 44 in the mass spectrometry spectrum 5 minutes after the discharge plasma generation. Observed. Compared to FIG. 29 (c), the peaks at M / Z = 2, 16, 18, 28 and 44 become larger, the peaks at M / Z = 15 and 32 disappear completely, and M / Z = 12, 17, 26 , 27 newly appear and the peaks at M / Z = 14 and 40 are unchanged. When the gas species is identified with reference to the spectrum data of FIGS. 25 and 28, the spectrum corresponding to M / Z = 2 is a hydrogen molecule, a part of M / Z = 17 and the spectrum of 18 are water vapor, M / Z = 12 , Part of 14, part of 16, most part of 28 and part of 29 are carbon monoxide and part of M / Z = 12, part of 16, part of 28 It can be seen that the spectrum of the part and most of 44 corresponds to carbon dioxide. Here, extinguished M / Z = 32 corresponds to oxygen molecules, part of M / Z = 14 and 28 corresponds to nitrogen molecules, and M / Z = 40 corresponds to argon.
Consider the ethylene oxide component. In FIG. 29 (d), the peak at M / Z = 15 disappears and the peak at M / Z = 29 is small. Here, the carbon monoxide fragment spectrum overlaps the peak of M / Z = 29, and the main spectrum of carbon dioxide overlaps the peak of M / Z = 44. In the gas mass spectrometry spectrum of ethylene oxide in FIG. 28 (a), the spectral component of M / Z = 15 is about 53% of the size of the main component, so the peak of M / Z = 15 in FIG. 29 (d). The disappearance of is interpreted to indicate that the ethylene oxide has disappeared.
On the other hand, the spectrum of M / Z = 26 and 27 in Fig. 29 (d) is pointed out in Fig. 27 (d) for the mixed gas plasma of 80% carbon dioxide and 20% ethylene oxide in the previous measure. To ethane (C₂H₆= 30). Comparing the spectra of FIG. 29 (d) and FIG. 27 (d), the peak of M / Z = 27 and 26 is larger in FIG. 29 (d), and appears clearly.
This is thought to be due to the difference in the amount of oxygen molecules present in both cases. That is, it is presumed that the amount of oxygen molecules at the time of plasma generation is smaller in the case of FIG. 29 (d) than in the case of FIG. 27 (d) and the oxidative decomposition of ethylene oxide does not proceed completely. In the following, the oxygen molecular partial pressure is estimated in two cases, and the validity of this inference is shown. (i) First, the amount of oxygen molecules in the mixed gas plasma of 80% carbon dioxide and 20% ethylene oxide in FIG. This mixed gas originally does not contain oxygen molecules, but obtains energy from plasma and generates oxygen molecules by the following two reactions.
## EQU11 ##

Since the initial filling pressure of the mixed gas is 0.25 [Torr], the initial pressures of carbon dioxide and ethylene oxide gas are 0.2 [Torr] and 0.05 [Torr], respectively. Calculate the partial pressure of oxygen required to fully oxidize ethylene oxide gas.
Substituting the above formula (1) into the formula (2) and offsetting the oxygen molecules appearing on both sides (all the carbon dioxide generated in the process of the above formula (2) is dissociated by the reaction of the above formula (1)) Equivalent to assuming)
[Expression 12]

It becomes. Therefore, it can be seen that in order to completely oxidatively decompose ethylene oxide gas having an initial partial pressure of 0.05 [Torr], generation of oxygen molecules having a partial pressure of 0.075 [Torr] is necessary. Assuming that all the carbon dioxide is dissociated by the above reaction (1) due to the plasma, the generated oxygen molecular partial pressure is 0.1 [Torr], which is larger than the amount necessary to completely oxidize ethylene oxide. .
(ii) Next, the amount of oxygen molecules in the air plasma of FIG. 29 (d) is estimated. Since 20% of air is oxygen, the oxygen molecular partial pressure is 0.05 [Torr] at the initial sealing pressure of 0.25 [Torr]. From this partial pressure, the total number of moles of oxygen molecules in the device is calculated as 1.4 × 10^-Five  It becomes mole.
However, the internal volume of the apparatus was 5.5? And the temperature was 45 ° C. On the other hand, assuming that the amount of ethylene oxide remaining in the apparatus before entering the air plasma post-process 3 is about 10 mg, 2.3 × 10^-FourIt becomes mole. Therefore, it can be said that the amount of oxygen molecules in the apparatus is not sufficiently larger than the amount necessary to completely oxidize and decompose residual ethylene oxide.
Here, the adsorption amount of ethylene oxide in Example 3 was estimated to be 11.6 mg. Since the inside of the apparatus is once depressurized before entering the depressurization step 3, it is expected that a part of the adsorbed in this process is desorbed. It is unclear what percentage of the adsorption amount will be the residual amount.
b. Decomposition of residual ethylene oxide in step 3
From the above experimental results, it is considered that the adsorbed / residual ethylene oxide is decomposed and detoxified in the following process in the 5-minute discharge plasma in the air plasma post-treatment step 3.
1) Energy from plasma^#Chemical activity of oxygen in air components
[Formula 13]

^#It refers to the energy that the electrons that make up the plasma, with a temperature of several tens of thousands of degrees, bombard the atmosphere gas.
2) Adsorption by chemically active oxygen, oxidative decomposition of residual ethylene oxide, gasification and desorption
[Expression 14]

... Generation of carbon dioxide and water by oxidation reaction
3) Energy from discharge plasma^#Of carbon dioxide and water vapor by water
[Expression 15]

・ ・ ・ ・ ・ Generation of carbon monoxide and oxygen by dissociation of carbon dioxide
[Expression 16]

・ ・ ・ ・ ・ Generation of hydrogen and oxygen by dissociation of water vapor
4) Undecomposition of ethylene oxide gas due to lack of oxygen
[Expression 17]

c. Consideration of sterilization process in process 3
As already described in Example 4, a sterilizing effect was obtained in air plasma in the presence of residual ethylene oxide. The process will be discussed from the gas analysis results described above. It was considered that the sterilization effect in the air plasma pretreatment step 1 and the carbon dioxide and ethylene oxide mixed gas plasma was caused by the oxidation process of the sterilization object by oxygen chemically activated by the plasma. However, it is considered that the sterilizing effect in the air plasma post-treatment step 3 is brought about in a different process. Because, assuming that it is due to chemically activated oxygen as in air plasma pretreatment step 1, the treatment time of step 3 is 5 minutes, so sterilization is too short. An effect will be brought about. Moreover, in step 1, the sterilizing effect in the air plasma is already saturated.
An important point in the air plasma post-treatment step 3 is that air plasma is generated under the condition that adsorbed ethylene oxide remains in every corner of the apparatus (object to be sterilized).
It is conceivable that oxygen in the air chemically activated by plasma acts on the adsorbed ethylene oxide and indirectly participates in the sterilization process. As shown in FIG. 29 (d), the disappearance (consumption) of oxygen components in the air and the desorption / decomposition of adsorbed ethylene oxide are observed. This experimental result shows that adsorbed ethylene oxide is acted upon by chemically activated oxygen.
Here, the sterilization process by the conventional method of diffusing high-concentration ethylene oxide gas for a long time is rewritten, and a part of ethylene oxide gas ((CH₂)₂The oxygen-carbon bond of O) is cleaved, and the chemically activated ethylene oxide gas reacts (alkylates) with the sterilized product. As a result, sterilization and sterilization are performed.
The fact that ethylene oxide gas can be activated with thermal energy of about 50 ° C means that most adsorption oxidation can be easily performed by chemically activated oxygen, which is considered to have high energy of 10,000 degrees or more by air plasma. Ethylene can be activated. Therefore, most of the ethylene oxide adsorbed in the vicinity of the object to be sterilized is considered to receive the activation energy necessary for reacting with the object to be sterilized from chemically activated oxygen and react with the object to be sterilized. Since this reaction occurs efficiently, it is considered that an effective sterilizing effect appears in a short time even with a low amount of residual ethylene oxide.
Subsequent to or simultaneously with this process, an oxidative decomposition process of ethylene oxide and residual ethylene oxide after reaction with chemically activated oxygen occurs. However, at this time, as shown in FIG. 29 (d), if the initial enclosed oxygen molecular partial pressure is too small, the residual ethylene oxide is not completely decomposed into water and carbon dioxide, and is partially converted into ethane. The
[0027]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, by using a spatially uniform plasma generated by multiphase AC discharge and a low-concentration ethylene oxide gas, sterilization unevenness is small, high-speed and residual. Low ethylene oxide gas sterilization treatment can be realized.
Compared with the conventional ethylene oxide gas sterilization treatment, the ethylene oxide concentration is 1/50 or less, and the sterilization treatment time is 1/10 or less including sterilization and residual treatment time. The overall performance improvement ratio is over 500 times. One of the plasma sterilization treatments in practical use is a hydrogen peroxide plasma sterilization treatment, but there are problems in that the cellulose that absorbs water cannot be sterilized and in permeability. In this invention, it can be used for the thing similar to what can apply the conventional sterilization process by the ethylene oxide gas with good permeability, and its application range is wide.
Furthermore, the same effect can be realized even when formaldehyde gas is used.
[0028]
In the gas sterilization apparatus used in the present invention, first, chemically active oxygen is spatially uniformly generated by a spatially uniform plasma generated by a multiphase AC discharge, and then it is generated. By reaching and acting on the surface of the object to be sterilized, the chemical reactivity of the surface of the object to be sterilized is increased, and gas sterilization without spatial bias by sterilization gas injection is performed.
Connect each phase component of the multi-phase AC power supply to the split electrode attached along the inner wall of the device, and connect the neutral point of the multi-phase AC power source to the metal mesh cage that stores the sterilized object attached in the center of the device . Discharge occurs between the divided electrodes of each phase and the mesh cage, and makes a round between the electrodes during one cycle of the power supply frequency. As a result, the plasma resulting from the discharge diffuses radially inward into the metal mesh cage. There is a spatially uniform plasma around the object to be sterilized stored in the metal mesh cage.
Chemically active oxygen is generated evenly around the object to be sterilized in the plasma, and reaches and acts on the surface of the object to be sterilized through a sterilization pack that wraps the object to be sterilized. Chemically active oxygen enhances the chemical reactivity of the surface of the object to be sterilized without spatial unevenness, and as a result, gas sterilization without spatial unevenness by sterilization gas injection is performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial cross-sectional view of a plasma sterilization apparatus embodying the present invention.
FIG. 2 is a partial longitudinal sectional view of a plasma sterilization apparatus embodying the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram of a symmetrical 12-phase AC power source embodying the present invention.
FIG. 4 is a configuration diagram of a gas supply device embodying the present invention.
FIG. 5 is a process curve diagram of a gas sterilization method embodying the present invention.
FIG. 6 is a sterilization graph using the D value.
FIG. 7 is a chemical formula for a sterilization reaction alkylated with ethylene oxide gas.
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the number of bacteria and the culture time.
FIG. 9 is a bar graph of N arrival time for confirming the sterilizing effect of air plasma.
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the temperature of a biological indicator and the air plasma discharge time.
FIG. 11 is a bar graph of N arrival time for confirming the bactericidal effect by heating.
FIG. 12 is a bar graph of N arrival time for confirming the sterilization effect of the mixed gas plasma.
FIG. 13 is a graph showing the relationship between the temperature of a biological indicator and the mixed gas plasma discharge time.
FIG. 14 is a graph showing the time change characteristic of ethylene oxide gas pressure.
FIG. 15 is a table showing the adsorption amount of ethylene oxide gas.
FIG. 16 is a process curve diagram of an experiment for examining a sterilization effect by ethylene oxide gas diffusion.
17 is a bar graph of N arrival time for confirming the bactericidal effect of FIG.
18 is a bar graph of N arrival time when the discharge current of FIG. 17 is set to 60 [mA].
FIG. 19 is a process curve diagram of an experiment for examining the sterilizing effect of an air plasma post-treatment process.
20 is a bar graph of N arrival time for confirming the bactericidal effect of FIG.
FIG. 21 is a process curve diagram of an experiment for examining the bactericidal effect in all treatment processes.
22 is a bar graph of N arrival time for confirming the bactericidal effect of FIG. 21. FIG.
FIG. 23 is a bar graph of N arrival time for confirming the bactericidal effect when the discharge current is increased.
FIG. 24 is a gas mass spectrometry spectrum in an air plasma pretreatment process.
FIG. 25 is gas mass spectrometry spectrum data constituting air.
FIG. 26 is a gas mass spectrometry spectrum when the biological indicator of FIG. 24 is not inserted.
FIG. 27 is a gas mass spectrometry spectrum in a mixed gas plasma.
FIG. 28 is mass spectrometry spectrum data of ethylene oxide gas, carbon dioxide, and carbon monoxide.
FIG. 29 is a gas mass spectrometry spectrum in an air plasma post-treatment process.
[Explanation of symbols]
1 Vacuum container
2 Insulation sheet
3 split electrodes
4 Double pipe
5 mesh bag
6 To be sterilized
7 Power receiving terminal
8 Gas inlet
9 Gas pressure gauge
10 12-phase AC power supply
11 Gas supply device
12 Gas supply pipe
13 Hepa filter
14 Air drying tube
15 Flow meter
16 Liquefied ethylene oxide gas
17 Vaporizer
a Gap
b Neutral point
V1, V2 plug valve

Claims (15)

A starting step of placing an object to be sterilized in a sterilization chamber;
A pretreatment step of supplying a gas containing oxygen element to a sterilization chamber under low pressure to generate plasma;
A sterilization process for supplying sterilization gas to the sterilization chamber under low pressure;
A post-processing step of generating plasma by supplying a gas containing oxygen element again to the sterilization chamber under low pressure;
The sterilization chamber is returned to normal pressure, and the ending process of taking out the sterilized material,
A gas sterilization method characterized by sequentially sterilizing through the steps in this order. The pretreatment step,
Exhausting the sterilization chamber;
Supplying a gas containing elemental oxygen to the exhausted sterilization chamber to maintain a low pressure;
Generating a plasma in a sterilization chamber under low pressure to activate oxygen in the gas;
Gasifying and cleaning the deposits on the surface of the object to be sterilized with activated oxygen;
Exhausting the gas;
The gas sterilization method according to claim 1, comprising: The sterilization step,
Supplying a sterilization gas to the exhausted sterilization chamber and bringing it into contact with an object to be sterilized;
Exhausting the sterilization gas after a predetermined time,
The gas sterilization method according to claim 1, comprising: The post-processing step,
Supplying a gas containing elemental oxygen to the exhausted sterilization chamber to maintain a low pressure;
Generating a plasma in a sterilization chamber under low pressure to activate oxygen in the gas;
Removing the residue on the surface of the object to be sterilized with activated oxygen;
Exhausting the gas;
The gas sterilization method according to claim 1, comprising:   The gas sterilization method according to claim 2, wherein the sterilization chamber is heated during the sterilization chamber exhaust in the pretreatment step.   The gas sterilization method according to claim 3, wherein the sterilization chamber is heated during the sterilization gas contact in the sterilization step.   The gas sterilization method according to claim 1, wherein the gas containing the oxygen element is air.   The gas sterilization method according to claim 1, wherein the gas containing the oxygen element is oxygen.   The gas sterilization method according to claim 1, wherein the gas containing the oxygen element is carbon dioxide.   The gas sterilization method according to claim 1 or 3, wherein the sterilization gas is ethylene oxide gas.   The gas sterilization method according to claim 1 or 3, wherein the sterilization gas is formaldehyde.   5. The gas sterilization method according to claim 1, wherein the pressure of the gas containing the oxygen element supplied to the sterilization chamber is 0.1 Torr (1/7600 atm) to 1 Torr (1/760 atm).   4. The gas sterilization method according to claim 1, wherein the sterilizing gas supplied to the sterilization chamber has a pressure of 1 Torr (1/760 atm) to 10 Torr (1/76 atm).   The gas sterilization method according to claim 5 or 6, wherein a temperature for heating the sterilization chamber is 40 to 60 ° C.   Along the sterilization chamber wall, a plurality of membrane electrode pieces embedded through or in the insulating layer are fixedly fixed, and each membrane electrode piece is fed with a phase-controlled multi-output alternating current. The gas sterilization method according to claim 1, 2 or 4, wherein plasma is generated.

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