JP2005503818A - 流体の処理方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高電圧を必要とすることなく流体物が高電磁場にさらされるような方法および装置の提供を行う。
【解決手段】流体は、電気的な絶縁膜に設けられた孔を通過する。膜（１０ａ−ｅ）の表面には導電層（２２ａ、２２ｂ）が設けられており、これらは孔によって遮られている。２つの層の間には電圧が加えられる。流体は、装置の注入口１６から入れられて排出口１８から排出されることにより処理される。流体は、微生物またはより一般的には細胞物質を有する。電圧は、少なくとも流体が孔を通過する間に微生物の細胞壁を不活性にする（例えば、穴を開ける）程度に高くなっている。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の処理方法、装置およびこのような方法および装置に用いられる流体濾過器に関する。本発明の出願書類の中において、「濾過器」は、流体から粒子を止めるのに用いられるのかあるいは全ての粒子を通すのかということは別として、流体を流すことができる様々な対象を含む。
【背景技術】
【０００２】
「Ｆｏｏｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ２９（２）」の１１７−１２１頁の、Ｈ．Ｖｅｇａ−Ｍｅｒｃａｄｏ、Ｕ．Ｒ．Ｐｏｔｈａｋａｍｕｒｔ、Ｆ．Ｊ．Ｃｈａｎｇ、Ｇ．Ｖ．Ｂａｒｂａｒｏｓｓａ−ＣａｎｏｖａｓおよびＢ．Ｇ．Ｓｗａｎｓｏｎによる「ｐＨ、イオンの強さおよびパルス電磁場の障害の組み合わせによる大腸菌の不活発化」という記事によれば、電磁場を用いてミルクを低温殺菌する方法が知られている。このような技術は、１９９８年に発行された「ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」の４３−５０頁によっても知られている。
【０００３】
ミルクを２−４ＭＶ／ｍの強さを有する電磁場にさらすことにより、ミルクの中に存在する微生物の細胞膜が、そこに存在する電子の作用により壊れて開くようになる。これにより、微生物を不活性にすることができる。
【０００４】
また、上記の記事は、ミルクを電磁場にさらす装置について記載してある。この装置はミルクが通過するパイプを備えている。このパイプの壁は、部分的に絶縁部材のリングによって遮られ、全長が導電性を有する部材からなる主要部を有している。このリングは導電性の部材を２つの部分に分離する。両部分の間で電圧がミルクの中に電磁場を発生させるよう供給される。
【０００５】
使用電圧は２０−４０ｋＶの範囲である。この電圧によるエネルギー消費は相当に大きい。しかしながら、微生物を除去するためには、マイクロ秒単位の短い電圧パルスで十分である。これらは処理された流体が空間から絶縁性のリングに流れるときはいつでも必ず繰り返される。これにより、エネルギー消費が抑制される。
【０００６】
しかしながら、このような高電圧および短パルスの使用により、装置が高価となり、また大規模なものでは実用的ではなくなってしまう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、とりわけ、高電圧を必要とすることなく流体物が高電磁場にさらされるような方法および装置の提供である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、流体の処理方法であって、孔によって連通された両面を有する膜の該孔に流体を通過させる工程を備え、この膜には、孔によって遮られる一対の導電層が配置されており、前記の膜は、電気的に各導電層を互いに実質的に絶縁する部材を有し、電圧が前記の方法を行う際に各層の間に加えられることを特徴とする流体の処理方法を提供する。本発明によれば、例えばミルクなどの流体が、絶縁膜の孔に設けられた電磁場にさらされる。
【０００９】
電磁場は、膜の両面上の導電層の表面の電圧手段により発生する。膜は、絶縁性の部材よりなることが好ましいが、導電層間の電圧を止めるものであればよい。孔は両表面に連通し、層はこの孔によって遮られ、これにより流体は孔を通って流れることができる。層間が比較的低電圧であって、高電磁場の力を発生させることが可能である。なぜならば、薄い膜に流体を十分に流す非常に多数の小孔を形成することができるからである。
【００１０】
この方法は、とりわけミルクの低温殺菌に用いられるが、この方法は、あらゆる種類の多量の流体の処理、例えば流動性の食べ物の消毒殺菌、水の浄化、有機物質の細胞の抽出、あるいは生体細胞の細胞壁に必ず穴が開けられるような植物細胞からの体液の抽出に適用可能である。
【００１１】
電圧としては、交流電圧が用いられることが好ましい。これにより、流体において分解作用が抑制され、膜が荷電効果により詰まることが防止される。しかしながら、原理上は、直流電圧を用いることもできる。
【００１２】
また、本発明は、２つのチャンバーおよびこれらのチャンバー間に設けられた膜を有する装置に関する。本発明による装置の一の実施形態によれば、流体が連続的に通過するような膜の集合体が用いられる。各膜の通過後に、細胞のうちの破壊されなかった部分は遺伝子によって減少する。これにより、非常に高い効果が得られる。同一の電圧が各膜に供給されることが好ましい。これにより、一の電源で十分となる。異なる層間に電圧が供給されるような両極性によって効果に差が生じることはない。集合体の外側の層が、装置（アース）の他の電位に相当する同一の電位を有するよう、両極性が選択されることが好ましい。
【００１３】
さらに他の実施形態においては、交互に設けられた非絶縁性の膜および導電層からなるサンドウィッチ構造体の手段により一連の膜が得られる。これにより、一対の膜の間に設けられた導電層は、この層の両側に設けられた一対の膜に電圧を供給する電極として作用する。本実施形態においては、連続する層における電圧の両極性が交互に生じる。これにより、サンドウィッチ構造体に対して一の電源で十分となる。
【００１４】
また、本発明は、本発明による方法および装置を用いるための膜を有する流体濾過器に関する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明による方法および装置の、上記のあるいは他の目的および特徴について、以下に示す図面を参照してより詳細に説明する。
【００１６】
図１は、流体の処理装置の実施形態を概略的に示す。この装置は、流体の注入口１６および排出口１８と、第１のチャンバー１２ａ−ｅと、第２のチャンバー１４ａ−１４ｅと、膜部１０ａ−ｅとを備えている。濾過ユニットは、各々、膜部１０ａ−ｅのいずれか１つにより分離された第１のチャンバー１２ａ−ｅのいずれか１つおよび第２のチャンバー１４ａ−ｅのいずれか１つを有し、注入口１６と排出口１８との間に互いに平行に挿入されている。チャンバー１２ａ−ｅの数は、必要とされる処理能力によって決まる。必要に応じて、１つのチャンバーで十分となる。任意に、膜部１０ａ−ｅに、安定性を増すための保持体（図示せず）を設けてもよい。作用において、流体は、注入口１６から第１のチャンバー１２ａ−ｅのいずれか１つ、膜部１０ａ−ｅおよび第２のチャンバー１２ａ−ｅのいずれか１つを連続的に通って排出口１８に流れるよう処理される。
【００１７】
図１は、単に本発明の例示的な実施形態を示すのみである。様々な形状（平面的である必要はなく、また、時間によって変化しない形状とされる必要もない）の膜ユニットを有する流体チャンネルの各配置を用いることができる。
【００１８】
図２は、膜部（尺度は正確ではない）の側面図を示す。膜部は、電気的な導電層２２ａ−ｂおよび層の表面に設けられた電源２６への接続部２４ａ−ｂを有する膜２０を備えている。電源は層２２ａ−ｂ間に１０−２０ボルトの範囲の電圧を供給するものである。膜は、例えば、約２０ｍｍの厚さであり、直径は数センチのものである。膜の外周は必要とされる形状のものとすることができ、例えば円形、四角形等のものとすることができる。膜は直径の大きさが１０−２０ｍｍである小孔（図２においては図示せず）を有する。図２においては、金属層２２ａは層２０よりも薄くなっているが、実際には、より厚い金属層が用いられる。
【００１９】
本発明は、当然のことながら図１に示す平面状の膜部に限定されるものではない。一般に、膜の表面は、流体の流れの挿入に必要とされる様々な３次元形状とすることができる。時間によって変化する形状をとることもできる。膜部は、例えば、円柱形のものであってもよく、これにより、膜は、各々の円柱の内面および外面の表面に設けられた層２２ａ、ｂを有し、円柱形の内部空間と外部空間との間の隔離を形成する。円柱の中に流体を押し込むことにより、孔を通って円柱の外部に流体が押し出される。
【００２０】
図３は、膜２０の詳細上面図を示す。膜２０の中に孔３２が視認される。孔３２の直径Ｄが図示されている。膜３０の直径は十分に大きく、孔３２の直径の数倍の大きさであり、典型的には少なくとも数センチの大きさである。膜は、孔３２のような非常に多数の孔を有する。
【００２１】
図４は、図３のＩ−Ｉラインに沿った膜２０および導電層２２ａ、２２ｂの断面図を示す。この断面は孔３２を通っている。孔によって膜２０および層２２ａは遮られ、これにより流体は膜を通って（図３の頂部から底部まで）流れることができる。層２２ａ、２２ｂ間に加えられる電圧は、膜２０および孔３２の中に電磁場を形成する。
【００２２】
この電磁場のいくつかの力線３０ａ−ｄが図４に図示されている。膜２０の中では、力線は第１の層２２ａから第２の層２２ｂまでほとんど一直線に設けられている。孔の中では、力線２０ａ−ｄは、第１の層の縁から第２の層の縁まで曲線を描いている。一般に、電磁場の強さは、孔と導電層２２ａ、２２ｂとの間の縁間の距離が大きくなることによって減少するが、孔の半径が膜２０の厚さと同じ大きさあるいは膜２０の厚さよりも小さい場合には、この減少はそれほど大きなものではない。したがって、膜２０における場合と同様の電磁場の強さが孔において維持される。すなわち、導電層２２ａ、ｂの間の電圧の電磁場の強さは、膜の厚さによって決まる。加えられる電圧が２０ボルトであり厚さが１０ｍｍの膜が用いられるときには、約２ＭＶ／ｍの電圧となる。
【００２３】
従って、膜の孔３２を通って流れる流体の中に、この流体の細胞群の細胞壁を突き通すのに十分な電磁場の強さを、比較的低電圧で発生させることができる。これにより、流体の処理装置を、高電圧の装置に比べて相当に単純なものとすることができる。膜の厚さが小さいことにより、この膜の中で速やかに流体を再生することができる。孔が、細胞壁を突き通すことと無関係の「処理された」流体によって満たされている間、電圧を連続的に供給していたとしても、エネルギー損失がほとんど生じることはない。これにより、複雑なパルス技術を用いることなく高効率の処理を行うことが可能である。
【００２４】
孔の直径は、処理される流体に発生する最も大きな粒子に基づいて選択される。これにより、これらの粒子は孔を通過することができる。孔の断面は円形である必要はない。様々な形状を用いることができる。膜２０の厚さは、孔の半径以上である（もしくは、例えば孔が円形ではない場合には、導電層２２ａ、２２ｂのいずれか１つからこの導電層の平面における孔のいかなる点までの距離よりも大きいものである）、あるいは多くとも半径または距離の５倍の小さい因数となることが好ましい。これにより、孔全体の周りに十分な電磁場の強さが残る。
【００２５】
図２において孔は直線的に設けられているが、膜の一面から他面まで蛇行する孔も用いることができるのは明らかである。実際に、孔を通って力線が延びていれば十分である。
【００２６】
導電層２２ａ、２２ｂの間には、孔を通る流体の流体仕事率について、交流電圧の（例えば、周期の４分の１よりも小さい）周期の一部分の間において、少なくとも流体の粒子が膜の一面から他面まで通って流れることができない程度に高い周波数で、交流電圧が供給されることが好ましい。周波数は流体の粒子が少なくとも周期全体の間において孔を通って流れる程度に高くなっていることが好ましい。これにより、流体の分解が抑制され、チャージによって流体が詰まるという作用が抑止される。
【００２７】
導電層２２ａ、ｂを有する構成要素および孔が内部に形成された膜２０を備えた方法は、本発明にとって必須のものではない。一の実施形態においては、プラスチック箔の膜が用いられていたが、セラミック材料等を用いることもできる。その後、導電層は、（例えば、金属箔を設けたり、蒸着したり、金属性の塗装を例えばスパッタリングして形成することによって）膜の表面に設けられる。金属層が用いられる技術は必須のものではない。相当に薄い金属箔が用いられることが好ましいが、必要とされる電磁場は、より厚い金属層で形成される。
【００２８】
レーザー技術を用いて、孔が導電層２２ａ、２２ｂおよび膜２０の集合体を通って燃焼される。集中レーザー光線を用いて局所的に金属層および膜を燃焼することにより、金属層および膜を通り、直径がミクロン単位に調整される孔が形成される。当然のことながら、本発明から離れることなく、他の膜、他の導電層の形成方法および／または他の孔の形成方法を用いることができる。このように、例えば孔を形成するために写真平板の層の開口を通ってエッチングを行うことができる。
【００２９】
層２０の部材の選択に必須のものとしては、単に、導電層２２ａ、２２ｂ間に電磁場を出現させるものであればよい。絶縁体が用いられることが好ましいが、一対の導電層間に与えられる電圧の大部分が残存するような電圧の状況においては、ほとんど導電性がない部材であっても十分である。この場合に、絶縁性が小さくなるとエネルギー消費が大きくなるが、細胞壁を突き通す効果は失われない。必要であれば、半導電性の部材が使用される。さらに、部材の層の集合体が膜２０において用いられる。
【００３０】
図５は、図２と同一種類の膜部５０、５１、５２、５３の集合体を示す。各膜部５０、５１、５２、５３は、絶縁性の膜５００、５１０、５２０、５３０および一対の導電層５０２ａ−ｂ、５１２ａ−ｂ、５２２ａ−ｂ、５３２ａ−ｂを備えている。膜部５０、５１、５２、５３は絶縁層５６ａ−ｃによって分離されている。導電層５０２ａ−ｂ、５１２ａ−ｂ、５２２ａ−ｂ、５３２ａ−ｂへの接続部５８ａ、ｂにより、膜５００、５１０、５２０、５３０の周りにそれぞれ設けられた一対の導電層５０２ａ−ｂ、５１２ａ−ｂ、５２２ａ−ｂ、５３２ａ−ｂの間に電圧を供給することができる。電源５４の第１および第２の電極５５ａ、ｂは、層５０２ａ−ｂ、５１２ａ−ｂ、５２２ａ−ｂ、５３２ａ−ｂに接続される。
【００３１】
一の実施形態においては、絶縁層５６ａ−ｃが省略されて、同一の電位が連続する導電層５０２ｂ−５１２ａ、５１２ｂ−５２２ａ、５２２ｂ−５３２ａに直接的に供給される状況となる。このような場合には、各対の膜の間で１つだけの導電層が設けられており、両方の膜が結合されているような、結合した層の集合体が用いられる。
【００３２】
結合体は、図２の装置の第１および第２のチャンバー１２ａ−ｅ、１４ａ−ｅの間にある膜部１０ａ−１０ｅとして挿入される。これにより、流体は、集合体を流れるときには、数回にわたって連続する膜の孔に設けられた高電磁場の影響を受ける。従って、穴が開けられることなく残った細胞の部分を流体中に制限することができる。流れを促進するために、必要であれば、孔は、膜および層が互いに配置された後に形成される。これにより、異なる層における孔が自動的に互いに一線上にそろえられる。しかしながら、連続する層の間に流体の空間が残らない場合には必ずしも必要ではない。
【００３３】
図に示すように、連続する膜５００、５１０、５２０、５３０を横切る電圧は、それぞれの場合において逆の極性が与えられる。これにより、連続する一対の膜５００、５１０、５２０、５３０間の電磁場でいかなる問題が生じることもない。好ましくは、偶数の個数の層が用いられる。これにより、集合体が外部と接続することができることによって、集合体の外方の導電層５００ａ、５３０ｂの間に電圧差が生じることがない。
【００３４】
図５においては膜および層は分離されているが、当然のことながら、連結する膜を有し、連続する孔が形成された後に、何度も曲げられている、あるいは多くの曲がり目を有するチューブの周りに巻きつけられているような単一のたわみ性のある膜を用いることもできる。
【００３５】
接続部５８ａ、ｂは、層５０２ａ−ｂ、５１２ａ−ｂ、５２２ａ−ｂ、５３２ａ−ｂを通って切断するピンとして図示されており、これにより接続が形成されているが、実際には、１またはそれ以上の電極が、関係のある層の表面に接続されていることが好ましい。これは、例えば、図５の頂部から底部にかけてみられる、異なる層の部分を電極に接近可能に形成することにより、あるいは層を電極に巻き付けることにより行われる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】流体の処理装置を示す図。
【図２】膜部を示す図。
【図３】膜部の上面図。
【図４】膜部の詳細断面図。
【図５】膜の集合体を示す図。

Claims (12)

1. 流体の処理方法であって、
   孔によって連通された両面を有する膜の該孔に流体を通過させる工程を備え、
   この膜には、孔によって遮られる一対の導電層が配置されており、
   前記の膜は、電気的に各導電層を互いに実質的に絶縁する部材を有し、
   電圧が前記の方法を行う際に各層の間に加えられることを特徴とする流体の処理方法。
2. 流体は微生物を有し、
   電圧は、少なくともこの電圧により孔に発生する電磁場によって微生物の細胞壁を不活発にする程度に高くなっていることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 電圧は交流電圧であることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. 流体はミルクであることを特徴とする請求項１記載の方法。
5. 流体の処理装置であって、
   第１および第２の流体チャンバーと、
   各流体チャンバー間に設けられた膜であって、流体を第１のチャンバーから第２のチャンバーに流すための孔を有し、前記の膜は各々第１および第２のチャンバーに直面するこの膜の表面に設けられた電気的な導電層を有し、前記の層は孔によって遮られ、電気的に各層を互いに実質的に絶縁する部材を有する膜と、
   各層間に電圧を加える接続部と、
   を有することを特徴とする流体の処理装置。
6. 各孔の壁からのそれぞれの孔の内部のあらゆる地点までの距離が、膜の厚さ以下であることを特徴とする請求項５記載の流体の処理装置。
7. 距離が２０ｍｍよりも小さいことを特徴とする請求項５記載の流体の処理装置。
8. 交流電圧源が接続部に連結されることを特徴とする請求項５記載の流体の処理装置。
9. 少なくとも一対の膜の集合体を有し、この集合体は第１のチャンバーから第２のチャンバーまでの集合体の連続する膜の孔に流体を通過させるような孔を各々が有する前記の膜を有し、各膜においてさらに電気的な導電層が第１および第２のチャンバーに直面する表面に各々設けられ、この層は孔によって遮られ、前記の膜の各々はそれぞれの膜における各層を電気的に互いに実質的に絶縁する部材を有し、前記の接続部には各膜の異なる層の間に電圧を加えることを特徴とする請求項５記載の流体の処理装置。
10. 前記の層および前記の膜を含む、導電層と少なくとも一対の膜とを有するサンドウィッチ構造体を備え、このサンドウィッチ構造体においては膜および導電層は交互に設けられており、膜の各々は孔を有するとともに前記の導電層の各々は孔によって遮られ、よってサンドウィッチ構造は、第１のチャンバーから第２のチャンバーまでの連続する膜の孔に流体を通過させるようにし、前記の膜の各々はこの膜の各々の周りに設けられた層を互いに実質的に絶縁する部材を有し、前記の接続部は、サンドイッチ構造体の膜に連結されてサンドイッチ構造体の連続する一組の層の間に電圧を加えることを特徴とする請求項５記載の流体の処理装置。
11. 膜の第１および第２の表面の間に設けられた孔を有する膜と、
    それぞれが第１および第２の表面上に設けられた電気的な各導電層とを備え、
    前記の各層は各孔によって遮られ、前記の膜は各層を互いに実質的に電気的に絶縁する部材を有することを特徴とする流体濾過器。
12. 前記の層および前記の膜を含む、導電層と少なくとも一対の膜とを有するサンドウィッチ構造体を備え、このサンドウィッチ構造において膜と導電層とは交互に設けられており、このサンドウィッチ構造体において前記の膜の各々は孔を有するとともに前記の導電層の各々は孔によって遮られ、よってサンドウィッチ構造は連続する膜の孔に流体を通過させるようにし、各膜はそれぞれの膜の周りの各層を電気的に互いに実質的に絶縁する部材を有することを特徴とする請求項１１記載の流体濾過器。