JP2005515843A6 - Sterilization and decontamination system using plasma discharge and filter - Google Patents

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Abstract

非熱プラズマ放電装置がサスペンション媒体(フィルタ、静電集塵器、カーボンベッド等)の上流に配置された殺菌・汚染除去システム。このプラズマ放電装置はプラズマを生成し、プラズマは第一の誘電体のアパチャ(キャピラリーやスリット等)を通って放射される。プラズマ生成殺菌活性種は、汚染物質や好ましくない粒子状物質にさらされると、汚染された流体流に含まれる及び/又は物体上にあるこのような物質を不活性化或いは低減することができる。従って、処理対象流体中の好ましくない汚染物質はまず、放電装置のプラズマ領域内においてプラズマ生成殺菌活性種にさらされている間に低減される。更に、プラズマ生成殺菌活性種は、下流のサスペンション媒体に運ばれ、この媒体と接触するとサスペンション媒体自体に捕集された汚染物質を不活性化する。サスペンション媒体はin situで清浄化することができ有利である。殺菌効率を更に高めるため、添加剤ガス/自由ガス/キャリアガス(アルコール、水、乾燥空気等)を、第一の誘電体に設けたアパチャに注入してもよい。これら添加剤は、生成された好ましくないオゾン性汚染物質の副生成物を低減すると共に、プラズマ生成殺菌活性剤の濃度を高める。フィルタの下流において、流体流を触媒媒体や付加的なサスペンション媒体にさらすことにより更に処理して、好ましくない粒子状物質の量を更に低減させることもできる。  A sterilization / decontamination system in which a non-thermal plasma discharge device is placed upstream of a suspension medium (filter, electrostatic precipitator, carbon bed, etc.). The plasma discharge device generates plasma, and the plasma is emitted through an aperture (capillary, slit, etc.) of the first dielectric. Plasma-generated sterilizing active species can inactivate or reduce such substances contained in contaminated fluid streams and / or on objects when exposed to contaminants and undesirable particulate matter. Thus, undesirable contaminants in the fluid to be treated are first reduced while being exposed to plasma-generated sterilizing active species in the plasma region of the discharge device. In addition, the plasma-generated sterilizing active species is carried to the downstream suspension medium and deactivates contaminants collected on the suspension medium itself when in contact with the medium. The suspension medium can advantageously be cleaned in situ. In order to further increase the sterilization efficiency, additive gas / free gas / carrier gas (alcohol, water, dry air, etc.) may be injected into the aperture provided in the first dielectric. These additives reduce byproduct undesired ozone pollutants that are produced and increase the concentration of the plasma-generated disinfectant activator. Downstream of the filter, the fluid stream can be further processed by exposing it to a catalyst medium or additional suspension medium to further reduce the amount of undesirable particulate matter.

Description

関連出願の相互参照
本願は、(a)2000年12月15日出願の米国特許出願第09/738,923号の一部継続出願であり、当該米国特許出願は1999年12月15日出願の米国特許仮出願第60/171,198号及び1999年12月21日出願の同第60/171,324号の利益の享受を請求するものである。また、本願は、(b)2001年11月2日出願の米国仮出願第60/336,866号、及び2001年11月2日出願の同第60/336,868号の利益の享受を請求するものである。これら全出願を本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。
CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application, (a) a continuation-in-part application of U.S. patent application Ser. No. 09 / 738,923 of December 15, 2000 filed, of the U.S. patent application December 15, 1999 filed No. 60 / 171,198 and US Patent Application No. 60 / 171,324 filed on Dec. 21, 1999. This application also claims to benefit from (b) US provisional application 60 / 336,866 filed on November 2, 2001 and 60 / 336,868 filed November 2, 2001. To do. All of these applications are hereby incorporated by reference as part of the present specification.

技術分野
本発明は、空気流の殺菌や物体/表面の汚染除去のための方法及びシステム、特に、非熱プラズマ放電装置や非熱プラズマ発生器を用いた、このような方法及びシステムに関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to methods and systems for air flow sterilization and object / surface decontamination, and more particularly to such methods and systems using non-thermal plasma discharge devices and non-thermal plasma generators.

換気用空気処理装置で使用されるサスペンション媒体(suspension media)(フィルタ、カーボンベッド、静電集塵器等)は、空気中の各種汚染物質を捕集する。このような物質としては、胞子やウィルス、生物学的物質、粒子状物質、細菌等が挙げられるが、これに限定されるものではない。サスペンション媒体を一定期間使用する内に、好ましくない汚染物質が捕獲されて集まるため、この媒体の性能が低下すると共に生物学的危険物質が凝縮され、換気システムに対する生物学的危険物質の供給源となってしまう。これまで、サスペンション媒体から汚染物質を取り除くため用いられてきた従来法には2種類のものがある。即ち、サスペンション媒体を取り替える方法と、サスペンション媒体からの汚染物質除去をin situで定期的に行う方法である。汚染物質を処分するためのこれら従来法のいずれにおいても、捕獲された胞子や病原体や他の好ましくない粒子状物質の一部が大気中に放出されてしまう可能性が高い。また、好ましくない粒子状物質を含むサスペンション媒体を取り替える場合、汚染されたサスペンション媒体を、適切に処分しなければならない。これは、非常に危険な病原体(結核、天然痘、炭疽等)や他の汚染物質にさらされる病院や実験室、手術室等の危険な場所では特に重要なことである。このような場所では、病原体等が換気システムから放出されると、極低濃度でも健康に非常に有害な結果をもたらす場合がある。   Suspension media (filters, carbon beds, electrostatic precipitators, etc.) used in ventilation air treatment devices collect various contaminants in the air. Examples of such substances include, but are not limited to, spores, viruses, biological substances, particulate substances, and bacteria. Over a period of use of the suspension medium, undesired contaminants are captured and collected, reducing the performance of the medium and condensing biological hazards, and providing a source of biological hazards to the ventilation system. turn into. Until now, there are two types of conventional methods that have been used to remove contaminants from suspension media. That is, a method of replacing the suspension medium and a method of periodically removing contaminants from the suspension medium in situ. In any of these conventional methods for disposing of pollutants, it is likely that some of the captured spores, pathogens and other undesirable particulate matter will be released into the atmosphere. Also, if a suspension medium containing undesirable particulate matter is replaced, the contaminated suspension medium must be disposed of properly. This is especially important in hazardous locations such as hospitals, laboratories and operating rooms that are exposed to very dangerous pathogens (tuberculosis, smallpox, anthrax, etc.) and other contaminants. In such places, if pathogens etc. are released from the ventilation system, even very low concentrations can have very detrimental effects on health.

換気システムへの汚染物質の放出をなくすか或いは実質的に低減することができる、サスペンション媒体をin situで汚染除去するための装置及び方法を開発することが望まれている。   It would be desirable to develop an apparatus and method for decontaminating suspension media in situ that can eliminate or substantially reduce the release of contaminants to the ventilation system.

本発明に係る殺菌・汚染除去のためのプロセス及びシステムは、非熱プラズマ発生中に(好ましくは有機物や酸素の存在下で)副生成物として生成される、生物学的な活性を有するが比較的寿命の短い殺菌種を用いることにより、健康上或いは環境上の危険物質を低減させつつ殺菌効率を向上させるものである。   The process and system for sterilization and decontamination according to the present invention has biological activity but is compared as a by-product generated during non-thermal plasma generation (preferably in the presence of organic matter and oxygen). By using a sterilized species having a short life span, the sterilization efficiency is improved while reducing dangerous substances on health or environment.

特に本発明は、サスペンション媒体や食品、換気ダクト、医療機器等の物体の汚染除去や流体の殺菌の方法に関する。非熱プラズマ−化学反応の副生成物として、活性があり(living)比較的寿命の短い(例えば、ミリ秒或いは秒単位)殺菌活性種が生成される。この殺菌活性種の寿命は比較的短いため、その殺菌能力は、非熱プラズマ放電装置の近傍にあるときが最も高い。同時に、寿命が短いため、この殺菌活性種はすぐに分解して、害のない良性の副生成物となる。この分解特性は、健康上或いは環境上の危険を最小限に抑えて殺菌を実現しなければならない状況において特に有用である。殺菌効率を更に高めるため、各種有機化合物等(通常は空気)の添加剤流体/キャリア流体/自由流体を、電極を通して(或いは直接)プラズマ放電装置に注入することができる。添加剤流体/キャリア流体/自由液体をプラズマ放電装置に導入することにより、流体流と共に運ばれる殺菌活性種の生成を増加させる。このようにして、所望により、特定の領域や殺菌或いは汚染除去対象の物体の領域に殺菌活性種を送ることができる。   In particular, the present invention relates to a method for decontamination of objects such as suspension media, food, ventilation ducts, medical devices, and fluid sterilization. As a byproduct of the non-thermal plasma-chemical reaction, active, relatively short-lived (eg, milliseconds or seconds) bactericidal active species are produced. Since the lifetime of this sterilizing active species is relatively short, its sterilizing ability is highest when it is in the vicinity of the non-thermal plasma discharge device. At the same time, due to the short lifetime, this bactericidal active species quickly degrades into harmless benign by-products. This degradation characteristic is particularly useful in situations where sterilization must be achieved with minimal health or environmental hazards. To further increase sterilization efficiency, additive fluids / carrier fluids / free fluids such as various organic compounds (usually air) can be injected into the plasma discharge device through the electrodes (or directly). Introducing additive fluid / carrier fluid / free liquid into the plasma discharge device increases the production of bactericidal active species carried with the fluid stream. In this way, the sterilizing active species can be sent to specific areas or areas of objects to be sterilized or decontaminated as desired.

例えば、空気を処理する場合、空気フィルタを非熱プラズマ放電装置の下流に配置する。処理対象の汚染空気はまず非熱プラズマ放電装置を通過し、その後フィルタを通過する。胞子や細菌の一部は、非熱プラズマ放電装置により生成された殺菌活性種と直接相互作用することによりフィルタの上流で既に不活性化されてしまっているが、フィルタ上に捕獲されるものもある。下流のフィルタ上に捕獲された病原体を完全ではなくともかなりの量を不活性化させるため、フィルタを、上流で生成された殺菌活性種に対して連続的に或いは周期的にさらすことができる。同時に、殺菌活性種はフィルタ内で或いはフィルタの下流で分解するので、フィルタから排出され即ちフィルタを通過し部屋の中に入る空気は殺菌剤を含まないか、含むとしても極少量である。残存した微量の好ましくない汚染物質及び/又は副生成物を空気流から更に除去するため、追加的な濾過媒体や触媒媒体(オゾン触媒等)を下流に追加してもよい。   For example, when processing air, an air filter is arrange | positioned downstream of a non-thermal plasma discharge apparatus. The contaminated air to be treated first passes through the non-thermal plasma discharge device and then passes through the filter. Some of the spores and bacteria have already been deactivated upstream of the filter by directly interacting with the bactericidal active species generated by the non-thermal plasma discharge device, but some of them are trapped on the filter. is there. In order to inactivate a significant, if not complete, pathogen captured on the downstream filter, the filter can be exposed continuously or periodically to the upstream bactericidal active species. At the same time, the germicidal active species decompose in the filter or downstream of the filter so that the air that is exhausted from the filter, i.e. passes through the filter and enters the room, contains no or even a small amount of germicide. Additional filtration media or catalyst media (such as an ozone catalyst) may be added downstream to further remove residual traces of undesirable contaminants and / or by-products from the air stream.

キャリアガス(通常は空気)を循環させると、処理対象サスペンション媒体の所望の汚染領域や部分へ殺菌活性種を効率的に輸送できるので有利である。プラズマ放電装置への電力の供給を停止するとすぐに、殺菌活性種の生成が止まるので、対象物は遅滞なくチャンバから即座に取り除かれなければならない。   Circulating the carrier gas (usually air) is advantageous because it can efficiently transport the bactericidal active species to the desired contaminated area or portion of the suspension medium to be treated. As soon as the supply of power to the plasma discharge device is stopped, the production of germicidal active species stops and the object must be removed from the chamber immediately without delay.

好ましい一実施形態においては、プラズマ発生システムは、誘電体キャピラリー型や誘電体スリット型で、RF、DC或いはACの高電圧を電極に印加することにより周囲空気や他の気体に非熱プラズマガス放電を行なうことができる。放電残光中に常に微量存在する、プラズマ−化学反応の副生成物(オゾン、窒素酸化物、有機酸、アルデヒド等)は、空気からこれら副生成物を除去するために通常使用される、吸着、触媒、その他の方法を利用したオフガス処理システムで捕獲される。   In a preferred embodiment, the plasma generation system is a dielectric capillary type or a dielectric slit type, and a non-thermal plasma gas discharge to ambient air or other gas by applying a high RF, DC or AC voltage to the electrode. Can be performed. Plasma-chemical reaction by-products (ozone, nitrogen oxides, organic acids, aldehydes, etc.) that are always present in trace amounts in the afterglow of the discharge are typically used to remove these by-products from the air Captured in an off-gas treatment system utilizing catalysts, other methods.

エタノール/空気や他の有機蒸気/空気混合物を、電極を通って放電ゾーンに送られる添加剤流体/キャリア流体/自由流体として使用することにより、細菌DNA内の水素原子のアルキル基(Cn2n+1)による置換が促進され、病原体を不活性化させる殺菌活性種をより多く生成することができる。アルキル化は、エチレンオキシド(よく知られている殺菌剤の一種)が病原体を不活性化するメカニズムの一種であると考えられる。おそらく、アルキル化が、酸素/有機プラズマ残光における殺菌の主要なメカニズムであろう。 By using ethanol / air or other organic vapor / air mixtures as additive fluid / carrier fluid / free fluid sent through electrodes to the discharge zone, alkyl groups of hydrogen atoms in bacterial DNA (C n H The substitution by 2n + 1 ) is promoted and more bactericidal active species that inactivate pathogens can be generated. Alkylation is thought to be one of the mechanisms by which ethylene oxide (a well-known fungicide) inactivates pathogens. Perhaps alkylation is the main mechanism of sterilization in oxygen / organic plasma afterglow.

本発明の一実施形態は、プラズマ放電装置、好ましくは非熱プラズマ放電装置を含む殺菌・汚染除去システムに関するものであり、該装置は第一の誘電体を有し、第一の誘電体はプラズマ放電を通過させる少なくとも一個のアパチャを有する。このシステムは更に、プラズマ放電装置の下流に配置したサスペンション媒体を含む。本発明はまた、上述のシステムを用いた殺菌・汚染除去方法に関する。第一の電極と受側電極に電圧差を与えて、少なくとも一個のアパチャを通してプラズマ放電を放射することにより、プラズマにより生成される殺菌活性種を生成する。その後、処理対象の汚染流体を、生成された殺菌活性種にさらす。さらした後の処理対象流体から粒子状物質をサスペンション媒体中に捕集する。その後、生成した殺菌活性種をフィルタに曝露し、スプレーし或いはボンバードして、捕集された粒子状物質の一部又は全部をフィルタから取り除く。   One embodiment of the present invention relates to a sterilization and decontamination system including a plasma discharge device, preferably a non-thermal plasma discharge device, the device having a first dielectric, the first dielectric being a plasma. Having at least one aperture through which the discharge passes. The system further includes a suspension medium disposed downstream of the plasma discharge device. The present invention also relates to a sterilization / decontamination method using the above-described system. By applying a voltage difference between the first electrode and the receiving electrode and radiating a plasma discharge through at least one aperture, a bactericidal active species generated by the plasma is generated. Thereafter, the contaminated fluid to be treated is exposed to the generated sterilizing active species. Particulate matter is collected in the suspension medium from the treated fluid after exposure. Thereafter, the produced bactericidal active species are exposed to a filter and sprayed or bombarded to remove some or all of the collected particulate matter from the filter.

本明細書に記載の方法では、表面上や空気流中における総体的殺菌速度を加速し高めるために、非熱プラズマ放電において有機化合物蒸気(例えばアルコール)を用いる。これは、各種の熱プラズマ反応装置や非熱プラズマ反応装置に適用できる。これらの反応器は、DC電源やAC電源、RF電源を用いて連続的或いは周期的に給電して操作することができる。   The methods described herein use organic compound vapors (eg, alcohols) in non-thermal plasma discharges to accelerate and enhance the overall sterilization rate on the surface and in the air stream. This can be applied to various thermal plasma reactors and non-thermal plasma reactors. These reactors can be operated by supplying power continuously or periodically using DC power, AC power, or RF power.

本発明に係るセグメント化電極によるキャピラリー放電型非熱プラズマ反応器は、好ましくない化学剤(例えば元素や化合物)を含む処理対象の固体や流体(例えば、液体、蒸気、気体或いはこれらを組み合わせたもの)が比較的高密度のプラズマにさらされるように設計されている。このようなプラズマ内では、各種のプロセス(酸化、還元、イオン誘発による合成及び/又は電子誘発による合成等)により、各種化学反応を効率的に行うことができる。エネルギー密度を変更できるため、ガス全体を加熱することなく、所望の化学反応を効果的に開始或いは促進するのに十分なだけのエネルギーを用いて目的に合わせて調整した化学反応を生じさせることができる。例として、本発明を、プラズマ反応器を用いて、汚染物体や汚染流体流を浄化(purify)或いは殺菌するという用途について説明する。しかしながら、本方法や関連する装置を他の用途に使用することも本発明の意図する範囲内である。   A capillary discharge type non-thermal plasma reactor using segmented electrodes according to the present invention is a solid or fluid to be treated containing an undesirable chemical agent (for example, element or compound) (for example, liquid, vapor, gas, or a combination thereof) ) Is designed to be exposed to a relatively high density plasma. In such plasma, various chemical reactions can be efficiently performed by various processes (oxidation, reduction, ion-induced synthesis and / or electron-induced synthesis, etc.). Because the energy density can be changed, it is possible to produce a tailored chemical reaction with enough energy to effectively initiate or promote the desired chemical reaction without heating the entire gas. it can. By way of example, the present invention will be described for use in purifying or sterilizing contaminated objects and contaminated fluid streams using a plasma reactor. However, it is within the intended scope of the invention to use the method and associated apparatus for other applications.

反応チャンバの寸法は、汚染物質がプラズマ領域内に滞留する時間が、汚染物質を所望のレベルまで確実に破壊する(例えば、汚染物質を分子レベルまで不活性化する)のに十分となるように、所望により選択できる。また、キャリア流体/添加剤流体/自由流体をプラズマ放電装置に注入する場合、添加剤流体の注入速度や注入位置は所望により変更でき、プラズマの発生源領域(例えばキャピラリーやスリット)を通して添加剤流体を移送するようなものとしてもよいし、プラズマ放電を放射するアパチャと交差する補助的な供給口を通して添加剤流体を移送するようなものとしてもよい。また、反応容器は、汚染物質や生物学的汚染物質を破壊しなくとも不活性化でき、処理対象の表面や媒体、流体が効果的に殺菌されるような滞留時間が得られるサイズとすることができる。更に、添加剤流体/自由流体/キャリア流体を用いることにより所望の化学反応を達成することができ、形成されたラジカルが、殺菌或いは酸化プロセスを行なうのに十分な持続時間だけ、プラズマ領域を越えて存在するようにすることができる。   The dimensions of the reaction chamber are such that the time for the contaminants to stay in the plasma region is sufficient to ensure that the contaminants are destroyed to the desired level (eg, to inactivate the contaminants to the molecular level). Can be selected as desired. In addition, when carrier fluid / additive fluid / free fluid is injected into the plasma discharge device, the injection speed and injection position of the additive fluid can be changed as desired, and the additive fluid can be changed through the plasma source region (for example, capillary or slit). The additive fluid may be transferred through an auxiliary supply port that intersects the aperture that emits the plasma discharge. The reaction vessel should be sized so that it can be inactivated without destroying pollutants and biological pollutants, and the residence time is such that the surface, medium and fluid to be treated can be effectively sterilized. Can do. Furthermore, the desired chemical reaction can be achieved by using additive fluid / free fluid / carrier fluid, and the radicals formed can cross the plasma region for a duration sufficient to perform a sterilization or oxidation process. Can exist.

図1は、本発明に係るプラズマ殺菌・汚染除去システムの例示的概略フロー図である。
処理対象の汚染流体(例えば液体及び/又は気体)155の供給源は、病原体(例えばウィルスや胞子)及び/又は好ましくない化学的化合物(例えばベンゼンやトルエン)を含む場合がある。汚染流体155は、非熱プラズマ放電装置105とサスペンション媒体115とを含む汚染除去/殺菌装置165を通る。非熱プラズマ放電装置105は、様々な構成の装置の内の一種とすることができる。例えば、コロナ放電、バリア放電、キャピラリー誘電体を用いた放電(米国特許出願第09/738,923号、出願日2000年12月15日)、スリット誘電体を用いた放電(2001年11月2日出願の米国仮出願第60/336,866の優先権を主張する米国特許出願第−−−号、名称「非熱プラズマスリット放電装置(Non-Thermal Plasma Slit Discharge Apparatus)」、出願日2002年11月4日(代理人Docket No.2790/1J670-US1、とすることができる。非熱プラズマ放電装置を用いることが好ましいが、熱プラズマ放電装置を用いることもできる。しかしながら、この場合の殺菌速度は劣り、効率的でない。非熱プラズマ放電装置105には、高電圧電源からエネルギーが供給される。該電源としては、所望のプラズマ放電のタイプに応じて、例えば直流電源や交流電源、高周波電源、無線周波電源、マイクロ波電源、パルス電源を用いることができる。汚染流体155は、非熱プラズマ放電装置105を通過しながら、プラズマにさらされると共に殺菌活性種にもさらされる。殺菌活性種は、プラズマの生成中に副生成物として形成される有機ラジカル及び/又はイオンクラスタ等である。汚染流体をプラズマにより生成された殺菌活性種にさらすことにより、病原体は実質的に不活性化され、好ましくない化学物質はその濃度が低減してより良性の化合物となる。
FIG. 1 is an exemplary schematic flow diagram of a plasma sterilization and decontamination system according to the present invention.
The source of contaminated fluid (eg, liquid and / or gas) 155 to be treated may include pathogens (eg, viruses and spores) and / or undesirable chemical compounds (eg, benzene and toluene). Contaminated fluid 155 passes through a decontamination / sterilization device 165 that includes a non-thermal plasma discharge device 105 and a suspension medium 115. The non-thermal plasma discharge apparatus 105 can be one kind of apparatuses having various configurations. For example, corona discharge, barrier discharge, discharge using a capillary dielectric (US Patent Application No. 09 / 738,923, filing date December 15, 2000), discharge using a slit dielectric (November 2, 2001) US patent application claiming priority to US Provisional Application No. 60 / 336,866, dated “Non-Thermal Plasma Slit Discharge Apparatus”, filing date 2002 November 4 (Attorney Docket No. 2790 / 1J670-US1. Non-thermal plasma discharge device is preferable, but thermal plasma discharge device can also be used. However, sterilization in this case Energy is supplied from a high voltage power source to the non-thermal plasma discharge device 105. Depending on the type of plasma discharge desired, the non-thermal plasma discharge device 105 may be For example, a DC power supply, an AC power supply, a high frequency power supply, a radio frequency power supply, a microwave power supply, a pulse power supply can be used. The bactericidal active species are organic radicals and / or ion clusters that are formed as by-products during the generation of the plasma, etc. By exposing the contaminated fluid to the bactericidal active species generated by the plasma, Is substantially inactivated and undesired chemicals are reduced in concentration to become benign compounds.

殺菌活性種形成の要因となる、プラズマにより促進される化学反応には4種類の反応機構が寄与しており、これについて次に説明する。この4種類の反応機構全てに共通するのは、電子衝突による解離やイオン化により反応性ラジカルを形成するものであるということである。この4種類の反応機構を次に挙げる。
(1)酸化:例えば、CH4のCO2及びH2Oへの変換
-+O2 → e-+O(3P)+O(1D)
O(3P)+CH4 → CH3+OH
CH3+OH → CH2+H2
CH2+O2 → H2O+CO
CO+O → CO2
(2)還元:例えばNOからN2+Oへの還元
-+N2 → e-+N+N
N+NO → N2+O
(3)電子誘発による分解:例えば、CCl4への電子付加
-+CCl4 → CCl3+Cl-
CCl3+OH → CO+Cl2+HCl
(4)イオン誘発による分解:例えばメタノールの分解
-+N2 → 2e-+N2 +
2 ++CH3OH → CH3 ++OH+N2
CH3 ++OH → CH2 ++H2
CH2 ++O2 → H2O+CO+
Four types of reaction mechanisms contribute to the chemical reaction promoted by plasma, which causes the formation of sterilizing active species, which will be described next. What is common to all four types of reaction mechanisms is that they form reactive radicals by dissociation or ionization by electron collision. The four types of reaction mechanisms are listed below.
(1) Oxidation: For example, conversion of CH 4 to CO 2 and H 2 O e + O 2 → e + O (3P) + O (1D)
O (3P) + CH 4 → CH 3 + OH
CH 3 + OH → CH 2 + H 2 O
CH 2 + O 2 → H 2 O + CO
CO + O → CO 2
(2) Reduction: For example, reduction from NO to N 2 + O e + N 2 → e + N + N
N + NO → N 2 + O
(3) Electron-induced decomposition: for example, electron addition to CCl 4 e + CCl 4 → CCl 3 + Cl
CCl 3 + OH → CO + Cl 2 + HCl
(4) Ion-induced decomposition: for example, decomposition of methanol e + N 2 → 2e + N 2 +
N 2 + + CH 3 OH → CH 3 + + OH + N 2
CH 3 + + OH → CH 2 + + H 2 O
CH 2 + + O 2 → H 2 O + CO +

好ましい実施形態においては、殺菌効果や全体のプラズマ化学反応を向上させるため、添加剤流体/自由流体/キャリア流体145(例えばエタノールやメタノール等のアルコール)を非熱プラズマ放電装置105に注入してもよい。具体的には、添加剤流体/自由流体/キャリア流体は、プラズマ生成殺菌活性種の濃度を増加させると共に、好ましくない副生成物(例えばオゾン性汚染物質)の生成を低減させる。従って、添加剤流体/自由流体/キャリア流体を用いて、プラズマ生成殺菌活性種の化学反応を目的に合わせて調節することができ有利である。   In a preferred embodiment, additive fluid / free fluid / carrier fluid 145 (eg, alcohol such as ethanol or methanol) may be injected into non-thermal plasma discharge device 105 to improve the bactericidal effect and overall plasma chemical reaction. Good. Specifically, the additive fluid / free fluid / carrier fluid increases the concentration of plasma-generated sterilizing active species and reduces the generation of undesirable by-products (eg, ozone pollutants). Thus, the additive / free / carrier fluid can be advantageously used to tailor the chemical reaction of the plasma-generated sterilizing active species for the purpose.

有機物/空気の混合物を添加剤ガス/供給ガス/キャリアガスとして用いる場合、次の化学反応の連鎖により、更なる殺菌活性種が生成される。各化学反応連鎖について、例を挙げて説明する。   When an organic / air mixture is used as additive gas / feed gas / carrier gas, further sterilization active species are generated by the chain of subsequent chemical reactions. Each chemical reaction chain will be described with examples.

1)イオンやイオンクラスタの形成:
e+N2 → N2 ++2e e+O2 → O2 ++2e
2 ++N2 → N4 +2 ++O2 → O4 +
4 +,N2 ++O2 → O2 ++生成物
2 +,On ++H2O → O2 +(H2O)
2 +(H2O)+H2O → O2 +(H2O)2 → H3+(OH)+O2
3+(OH)+H2O → H3+(H2O)+OH
3+(H2O)+nH2O → H3+(H2O)2+(n−1)H2O →
3+(H2O)h+(n−h)H2
1) Formation of ions and ion clusters:
e + N 2 → N 2 + + 2e e + O 2 → O 2 + + 2e
N 2 + + N 2 → N 4 + O 2 + + O 2 → O 4 +
N 4 + , N 2 + + O 2 → O 2 + + Product O 2 + , O n + + H 2 O → O 2 + (H 2 O)
O 2 + (H 2 O) + H 2 O → O 2 + (H 2 O) 2 → H 3 O + (OH) + O 2
H 3 O + (OH) + H 2 O → H 3 O + (H 2 O) + OH
H 3 O + (H 2 O) + nH 2 O → H 3 O + (H 2 O) 2 + (n−1) H 2 O →
H 3 O + (H 2 O) h + (n−h) H 2 O

ヒドロニウムイオンクラスタが供給ガス中に存在する場合、次の例に示すようにエチルアルコールをプロトン化することができる:
3+(H2O)h+EtOH → EtOH2 +(H2O)b+(h+1−b)H2
If hydronium ion clusters are present in the feed gas, ethyl alcohol can be protonated as shown in the following example:
H 3 O + (H 2 O) h + EtOH → EtOH 2 + (H 2 O) b + (h + 1−b) H 2 O

EtOH2 +(H2O)b等のイオンクラスタは、寿命が適度に長いため、殺菌効率を向上させる。従って、イオンクラスタは、殺菌対象の標的の物体までの輸送に耐え、細菌のDNA内の水素原子を置換するためのEt基を提供できる。この置換により、標的の微生物が不活性化される。添加剤流体/自由流体/キャリア流体を用いると、C24OH+、C23OH+、CH2OH+、CHOH+、CH3OH+、C25 +等の有機イオンも形成され、これらの寿命や化学的活性に応じて殺菌作用が改善される。 Since ion clusters such as EtOH 2 + (H 2 O) b have a reasonably long lifetime, the sterilization efficiency is improved. Thus, the ion cluster can withstand transport to the target object to be sterilized and provide an Et group to replace a hydrogen atom in the bacterial DNA. This substitution inactivates the target microorganism. When additive fluid / free fluid / carrier fluid is used, organic ions such as C 2 H 4 OH + , C 2 H 3 OH + , CH 2 OH + , CHOH + , CH 3 OH + and C 2 H 5 + It is formed and the bactericidal action is improved according to their lifetime and chemical activity.

2)フリーラジカルの形成:
-+O2 → e-+O+O(1D)
-+O2 → e-+O2 *
-+N2 → e-+N+N、 N+O2 → NO+O
-+N2 → N2 *+e-、 N2 *+O2 → N2+O+O
O+O2+M → O3+M、 O2 *+O2 → O3+O

O(1D)+H2O → 2OH
2) Free radical formation:
e + O 2 → e + O + O (1D)
e - + O 2 → e - + O 2 *
e + N 2 → e + N + N, N + O 2 → NO + O
e + N 2 → N 2 * + e , N 2 * + O 2 → N 2 + O + O
O + O 2 + M → O 3 + M, O 2 * + O 2 → O 3 + O

O (1D) + H 2 O → 2OH

NO2、HO2や他の活性種(H22等)の形成を導く他の多くの化学反応を行うことも可能である。 Many other chemical reactions that lead to the formation of NO 2 , HO 2, and other active species (such as H 2 O 2 ) can also be performed.

有機物の存在下、有機ラジカルが形成される:
RH+OH → R+H2O、 R+O2+M → RO2+M,
RO2+NO → RO+NO2、 RO+NO2+M → RONO2+M,
RO+O2 → RCHO+HO2
In the presence of organic matter, organic radicals are formed:
RH + OH → R + H 2 O, R + O 2 + M → RO 2 + M,
RO 2 + NO → RO + NO 2 , RO + NO 2 + M → RONO 2 + M,
RO + O 2 → RCHO + HO 2 ,

プラズマ内に有機物や酸素が存在することにより、他の有機ラジカル(パーオキシRO2、アルコキシRO、アシルパーオキシアシルRC(O)OO等)や副生成物(ヒドロパーオキシド(ROOH)、パーオキシ硝酸塩(RO2NO2)、有機硝酸塩(RONO2)、パーオキシ酸(RC(O)OOH)、カルボン酸(RC(O)OH)、パーオキシアシル硝酸塩RC(O)O2NO2等)の形成も促進される。 Due to the presence of organic substances and oxygen in the plasma, other organic radicals (peroxy RO 2 , alkoxy RO, acyl peroxyacyl RC (O) OO, etc.) and by-products (hydroperoxide (ROOH), peroxynitrate ( RO 2 NO 2 ), organic nitrate (RONO 2 ), peroxy acid (RC (O) OOH), carboxylic acid (RC (O) OH), peroxyacyl nitrate RC (O) O 2 NO 2 etc.) Promoted.

図1を再び参照すると、生成されたプラズマに曝露された後の汚染流体155は、プラズマ放電装置105の下流に配置したサスペンション媒体115(例えば、フィルタ、静電集塵器、カーボンベッド、或いは流体流から粒状物質を除去するのに使用される他の任意の従来の装置)を通過する。プラズマ放電装置においてプラズマ放電にさらされても完全には中性化或いは不活性化されずに残留している病原体は、サスペンション媒体115において捕集される。これら捕集された汚染物質は、サスペンション媒体115と接触すると、生成されたプラズマにより流体流の一部として創出されたラジカルやイオンによって処理される。カーボンベッド等の化合物及びサスペンション媒体115に捕集された微生物は、サスペンション媒体と接触したプラズマ生成殺菌活性種と反応するという好ましい効果がある。具体的には、有機副生成物とラジカルは他の活性種と共に、サスペンション媒体装置115に堆積した微生物のDNAや他の構成ブロックと相互作用する。例えば、プラズマ生成殺菌活性種にさらすことにより、細菌のDNA内の水素原子がアルキル基Cn2n+1に置換され、これにより微生物は不活性化される。アルキル化は、記載の方法において殺菌効果をもたらすメカニズムの一例に過ぎず、他のメカニズムや殺菌活性種も存在するであろうと考えられる。 Referring again to FIG. 1, the contaminated fluid 155 after being exposed to the generated plasma is a suspension medium 115 (e.g., a filter, electrostatic precipitator, carbon bed, or fluid) disposed downstream of the plasma discharge device 105. Through any other conventional device used to remove particulate matter from the stream. The pathogen remaining in the plasma discharge apparatus without being completely neutralized or inactivated even after being exposed to the plasma discharge is collected in the suspension medium 115. When these collected contaminants come into contact with the suspension medium 115, they are processed by radicals and ions created as part of the fluid flow by the generated plasma. The compound such as the carbon bed and the microorganisms collected in the suspension medium 115 have a preferable effect of reacting with the plasma-generated sterilization active species that have come into contact with the suspension medium. Specifically, organic by-products and radicals interact with microbial DNA and other constituent blocks deposited on the suspension medium device 115 together with other active species. For example, exposure to plasma-generated bactericidal active species replaces hydrogen atoms in bacterial DNA with alkyl groups C n H 2n + 1 , thereby inactivating the microorganism. Alkylation is only one example of a mechanism that provides a bactericidal effect in the described method, and it is believed that other mechanisms and bactericidal active species may exist.

任意ではあるが、プラズマ処理された流体を、サスペンション媒体115の下流に配置した触媒媒体125(例えばオゾン触媒)や、追加のサスペンション媒体にさらして、オゾン及び/又は病原体等の好ましくない残留化合物の濃度を更に低減することもできる。   Optionally, the plasma treated fluid is exposed to a catalyst medium 125 (eg, an ozone catalyst) disposed downstream of the suspension medium 115 or additional suspension medium to remove unwanted residual compounds such as ozone and / or pathogens. The concentration can be further reduced.

図2aは、図1の殺菌・汚染除去ユニット165の例示的な第一の実施形態の長手方向断面図である。このユニットは、非熱プラズマキャピラリー誘電体セグメント化電極の放電構成235(2000年12月15日に出願された米国特許出願第09/738,923号に記載されており、その全体を本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する)とフィルタ245とを有する。プラズマとフィルタを組合せたこの装置は、胞子や細菌等の生物学的粒子状物質の捕捉と破壊を同時に行う。処理対象の汚染流体は、殺菌・汚染除去ユニット165の取込口255から受け取られる。キャピラリー誘電体セグメント電極235は、第一の誘電体とセグメント化電極とを有する。第一の誘電体には少なくとも一個のキャピラリーが設けられており、セグメント化電極は複数の電極セグメントを有し、電極セグメントは各キャピラリーの近傍に配置されていると共に各キャピラリーと流体連通関係にある。図2bは、図2aに示したキャピラリー誘電体セグメント化電極235のセグメント化電極の内の一個と、それと組み合わされるキャピラリーの例示的な構成の部分断面図である。電極セグメントは端部が尖っていないピン270の形状であり、このピンは、第一の誘電体280に設けられたキャピラリー275の近傍に配置されていると共に、このキャピラリーに部分的に挿入されている。添加剤流体/キャリア流体/自由流体285は、セグメント化ピン電極270が中空の場合(図2bに示す形態)には、この電極を通してキャピラリーに注入され、この電極が中実の場合は、第一の誘電体に設けられキャピラリー275と交差する補助的な通路を通して注入することもできる。セグメント化電極の構成については、米国特許出願第09/738,923号に記載されているような、例えばキャピラリーの近傍に配置したリングやワッシャー等、多くの他の構成が考えられる。   2a is a longitudinal cross-sectional view of a first exemplary embodiment of the sterilization and decontamination unit 165 of FIG. This unit is described in non-thermal plasma capillary dielectric segmented electrode discharge arrangement 235 (US patent application Ser. No. 09 / 738,923 filed Dec. 15, 2000, which is hereby incorporated by reference in its entirety. And a filter 245, which is incorporated herein as a part thereof. This device combined with plasma and filter simultaneously captures and destroys biological particulate matter such as spores and bacteria. The contaminated fluid to be processed is received from the inlet 255 of the sterilization / decontamination unit 165. Capillary dielectric segment electrode 235 includes a first dielectric and a segmented electrode. The first dielectric is provided with at least one capillary, the segmented electrode has a plurality of electrode segments, the electrode segments are arranged in the vicinity of each capillary and are in fluid communication with each capillary . FIG. 2b is a partial cross-sectional view of an exemplary configuration of one of the segmented electrodes of the capillary dielectric segmented electrode 235 shown in FIG. 2a and the capillary associated therewith. The electrode segment is in the shape of a pin 270 with no sharp end, and this pin is disposed in the vicinity of the capillary 275 provided in the first dielectric 280 and is partially inserted into this capillary. Yes. The additive fluid / carrier fluid / free fluid 285 is injected through the electrode into the capillary when the segmented pin electrode 270 is hollow (as shown in FIG. 2b), and when the electrode is solid, the first It is also possible to inject through an auxiliary passage that is provided in the dielectric and intersects the capillary 275. There are many other possible configurations for the segmented electrode, such as a ring or washer placed near the capillary as described in US patent application Ser. No. 09 / 738,923.

図2aを再び参照すると、処理対象の汚染流体は、キャピラリー誘電体セグメント化電極235と受側電極205の間に配置されたプラズマ領域つまり通路225を通過する。受側電極は、プラズマ放電を通過させる複数の孔或いはアパチャを有する。フィルタ245は、受側電極205と穿孔支持プレート225との間に配置される。   Referring again to FIG. 2 a, the contaminated fluid to be processed passes through a plasma region or passage 225 disposed between the capillary dielectric segmented electrode 235 and the receiving electrode 205. The receiving electrode has a plurality of holes or apertures through which the plasma discharge passes. The filter 245 is disposed between the receiving electrode 205 and the perforated support plate 225.

操作時、キャピラリー誘電体セグメント化電極235と受側電極205の間に電圧差が与えられると、プラズマがプラズマ領域215内に発生する。好ましくない粒子状物質を含む処理対象の汚染流体は、プラズマ領域215に入り、領域内に生成されたプラズマ殺菌活性種にさらされる。汚染流体は、生成されたプラズマにさらされた後、フィルタ245を通過し、そこで相当量の好ましくない粒子状物質が捕集される。フィルタ245は、キャピラリー誘電体セグメント化電極235からのプラズマ放電のボンバード、スプレー、又は曝露に連続的或いは周期的に付される。プラズマ生成殺菌活性種は、フィルタ245に接触すると、捕集された好ましくない粒子状物質を更に不活性化し、また処理された流体は、支持プレート205の孔を通過して殺菌・汚染除去ユニット165の出口265から外へ排出される。このキャピラリー誘電体セグメント化電極構成235では、フィルタの表面に胞子が滞留する時間が比較的長く、空気の流速を低減することなく、比較的高い汚染除去効率を確実に達成することができる。   During operation, plasma is generated in the plasma region 215 when a voltage difference is applied between the capillary dielectric segmented electrode 235 and the receiving electrode 205. The contaminated fluid to be treated containing undesirable particulate matter enters the plasma region 215 and is exposed to plasma sterilizing active species generated in the region. After the contaminated fluid is exposed to the generated plasma, it passes through the filter 245 where a significant amount of undesirable particulate matter is collected. Filter 245 is continuously or periodically subjected to bombardment, spraying, or exposure of the plasma discharge from capillary dielectric segmented electrode 235. When the plasma-generated sterilizing active species contact the filter 245, the collected unwanted particulate matter is further deactivated, and the treated fluid passes through the holes in the support plate 205 and is sterilized and decontaminated. It is discharged outside from the outlet 265. In this capillary dielectric segmented electrode configuration 235, the spore residence time is relatively long on the surface of the filter, and a relatively high decontamination efficiency can be reliably achieved without reducing the air flow rate.

好ましくは、フィルタ245は、粒子サイズの下方値が約0.3ミクロン迄のものに対する捕集効率が約99.97%のHEPAフィルタである。炭疽菌胞子の直径は約3ミクロンである。兵器化された炭疽菌粒子については、わずか1〜3ミクロンのオーダーである。従って、どちらのタイプの炭疽菌胞子でも、HEPAフィルタにより捕集することができ、本発明に係る有機蒸気プラズマ化学反応により除去することができる。本発明により殺菌効率を更に向上させるため、有機蒸気や水蒸気等の添加剤気体/キャリア気体/自由気体の存在下で、汚染されたフィルタや他のサスペンション媒体をプラズマ生成殺菌活性種によるボンバードにさらす或いは付す。   Preferably, filter 245 is a HEPA filter with a collection efficiency of about 99.97% for particle size down to about 0.3 microns. Anthrax spores are approximately 3 microns in diameter. Weaponized anthrax particles are only on the order of 1 to 3 microns. Therefore, both types of Bacillus anthracis spores can be collected by the HEPA filter and removed by the organic vapor plasma chemical reaction according to the present invention. To further improve sterilization efficiency according to the present invention, contaminated filters and other suspension media are exposed to bombardment with plasma-generated sterilization active species in the presence of additive gas / carrier gas / free gas such as organic vapor and water vapor. Or attach.

図2は、キャピラリー誘電体型の非熱プラズマ殺菌・汚染除去を示す。図3aは、スリット誘電体放電型の別の例示的なプラズマ殺菌・汚染除去システムを示すが、これは、2001年11月2日に出願された米国仮特許出願第60/336,866号の優先権を主張する2002年11月4日に出願された米国特許出願第−−−号、名称「非熱プラズマスリット放電装置(Non-Thermal Plasma Slit Discharge Apparatus)」(代理人Docket No.2790/1J670-US1)に記載されており、各出願の全体を本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する)に記載されている。プラズマの化学反応を向上させる添加剤(この場合は有機蒸気)がスリット誘電体放電電極305から導入或いは注入され、その結果スリット誘電体放電電極305と接地電極つまり受側電極315との間に形成されたプラズマ領域においてプラズマ化学反応が生じる。例えば、スリット放電電極は、図3bに示すように13本の誘電体ロッド605を有するものとする。しかしながら、他の電極構成も所望により使用できる。隣接する誘電体ロッド605が、(導電性材料或いは誘電体材料で形成された)内側中央円筒体610の周りに配置されると共に互いに離間して端部が開放されたスリット600をロッド間に形成する。好ましくは、内側中央円筒体610は中空であり、その周縁に貫通部625(例えば孔及び/又はスロット)を有する。添加剤流体/キャリア流体/自由流体630は、円筒体610の中央中空部を通して注入され、その周縁の貫通部625を通過することができる。次に、添加剤630は、内側中央円筒体610と(第二の誘電体スリーブ620内に格納された)受側電極615との間に電圧差を与えたときに、隣接ロッド605間に形成されたスリット600において生成されるプラズマと混合される。   FIG. 2 shows capillary dielectric type non-thermal plasma sterilization and decontamination. FIG. 3a shows another exemplary plasma sterilization and decontamination system of the slit dielectric discharge type, which is disclosed in US Provisional Patent Application No. 60 / 336,866 filed on Nov. 2, 2001. US Patent Application No .--- filed Nov. 4, 2002, claiming priority, name “Non-Thermal Plasma Slit Discharge Apparatus” (Attorney Docket No. 2790 / 1J670-US1), which is incorporated herein by reference in its entirety as a part of this specification. An additive that improves the chemical reaction of the plasma (in this case, organic vapor) is introduced or injected from the slit dielectric discharge electrode 305, resulting in formation between the slit dielectric discharge electrode 305 and the ground or receiving electrode 315. A plasma chemical reaction occurs in the generated plasma region. For example, the slit discharge electrode is assumed to have 13 dielectric rods 605 as shown in FIG. 3b. However, other electrode configurations can be used if desired. Adjacent dielectric rods 605 are disposed around the inner central cylinder 610 (formed of a conductive or dielectric material) and are spaced apart from one another to form slits 600 that are open at the ends between the rods. To do. Preferably, the inner central cylinder 610 is hollow and has perforations 625 (eg, holes and / or slots) on its periphery. The additive fluid / carrier fluid / free fluid 630 can be injected through the central hollow portion of the cylinder 610 and pass through the perforation 625 at its periphery. The additive 630 then forms between adjacent rods 605 when a voltage difference is applied between the inner central cylinder 610 and the receiving electrode 615 (stored in the second dielectric sleeve 620). The plasma generated in the slit 600 is mixed.

図3aを再び参照すると、プラズマ生成殺菌活性種はラジカルを含む。このラジカルは、前方に運ばれ、プラズマ放電装置の下流にあるサスペンション媒体325に捕集された生物学的物質と化学反応する。残留している如何なるオゾン性プラズマ生成殺菌活性種をも更に低減させるため、好ましくは、オゾンや他の触媒媒体335が用いられる。プラズマ領域で除去されずに残っている臭いや悪臭を更に除去するため、炭素フィルタ345を用いてもよい。処理対象流体から粒状物を更に除去するため、所望により、付加的なフィルタ355、365を追加してもよい。   Referring again to FIG. 3a, the plasma-generated bactericidal active species contains radicals. This radical is carried forward and chemically reacts with the biological material collected in the suspension medium 325 downstream of the plasma discharge device. In order to further reduce any residual ozone-producing sterilizing active species that remain, preferably ozone or other catalyst media 335 is used. A carbon filter 345 may be used to further remove odors and odors that remain without being removed in the plasma region. Additional filters 355, 365 may be added as desired to further remove particulate matter from the fluid to be treated.

本発明に係るin situプラズマ殺菌・汚染除去システムの更に別の実施形態を図4に示す。この実施形態に係るシステムは、従来のペーパローラやベルトコンベアシステムに幾分類似したものである。処理対象のサスペンション媒体425を巻きつけた供給ドラム405が一端に配置され、他端には受側ドラム410が配置されている。サスペンション媒体425は、矢印で示す方向に移動し、非熱プラズマ殺菌・汚染除去ユニット105により生成されたプラズマ415による処理、ボンバード或いは曝露後、受側ドラム410に巻き取られる。プラズマ殺菌・汚染除去ユニット105は、コロナ放電、バリア放電、キャピラリー放電、スリット放電等の任意の型式の構成のものとすることができる。   FIG. 4 shows still another embodiment of the in situ plasma sterilization / decontamination system according to the present invention. The system according to this embodiment is somewhat similar to a conventional paper roller or belt conveyor system. A supply drum 405 around which a suspension medium 425 to be processed is wound is disposed at one end, and a receiving drum 410 is disposed at the other end. The suspension medium 425 moves in the direction indicated by the arrow, and is wound around the receiving drum 410 after being treated, bombarded or exposed by the plasma 415 generated by the non-thermal plasma sterilization / decontamination unit 105. The plasma sterilization / contamination removal unit 105 can be of any type of configuration such as corona discharge, barrier discharge, capillary discharge, slit discharge and the like.

本発明に係る非熱プラズマ殺菌・汚染除去システムの別の実施形態を図5a及び図5bに示す。この別形態の殺菌・汚染除去システムでは、in situ殺菌・汚染除去ユニット505は、ラックに沿って少なくとも一方向に移動可能或いは変位可能なものである。例えば、図5a及び図5bに示す非熱プラズマ殺菌・汚染除去ユニット505は、平行支持体500に沿って矢印で示す一方向に変位可能なスリット誘電体放電型のものである。しかしながら、コロナ放電型、バリア放電型或いはキャピラリー誘電体放電型のプラズマ殺菌・汚染除去ユニット505を使用することも考えられ、それらも本発明の意図する範囲に含まれる。更に、非熱プラズマ殺菌・汚染除去ユニット505は、任意の所望の方向に或いは二方向以上の方向に変位可能なものとすることもできる。これに替えて、非熱プラズマ殺菌・汚染除去ユニット505を静止させたまま、処理対象のサスペンション媒体515の列を同様に変位させ、その表面全体が、非熱プラズマ殺菌・汚染除去ユニット505から放射されたプラズマ510にさらされる或いは処理されるまで変位を行うものとすることもできる。図5a及び図5bには、単一の非熱プラズマ殺菌・汚染除去ユニット505を示したが、所望により一以上の任意の数のユニットを、フィルタの列を処理するのに使用できる。   Another embodiment of a non-thermal plasma sterilization and decontamination system according to the present invention is shown in FIGS. 5a and 5b. In this alternative form of sterilization / decontamination system, the in situ sterilization / decontamination unit 505 is movable or displaceable in at least one direction along the rack. For example, the non-thermal plasma sterilization / contamination removal unit 505 shown in FIGS. However, it is conceivable to use a corona discharge type, barrier discharge type or capillary dielectric discharge type plasma sterilization / decontamination unit 505, which is also within the intended scope of the present invention. Further, the non-thermal plasma sterilization / decontamination unit 505 can be displaced in any desired direction or in two or more directions. Instead, while the non-thermal plasma sterilization / decontamination unit 505 is stationary, the row of suspension media 515 to be treated is similarly displaced so that the entire surface is radiated from the non-thermal plasma sterilization / decontamination unit 505. Displacement may also be performed until exposed to or processed by the plasma 510. Although a single non-thermal plasma sterilization and decontamination unit 505 is shown in FIGS. 5a and 5b, any number of units greater than or equal to one can be used to process the filter rows if desired.

従来の方法や装置において使用されているようなO原子、H原子、N原子に基づく殺菌活性種(NO2、H22、O3や、これに対応するHO2、OH等のラジカル)は、本発明における有機/空気プラズマの副生成物、ラジカル、イオンに比べ、極めて有効性の低い殺菌剤である。有機化合物等の添加剤流体/自由流体/キャリア流体をプラズマに添加することによって、プラズマ生成殺菌活性種の性質が著しく変化することはないが、これらの種の濃度や相対量が著しく増加することに注目されたい。従来の装置を使った方法と顕著に異なる本発明の殺菌方法の一特性は、ガス−放電プラズマ中に有機物と酸素(空気)の両方が存在することである。これまで、従来の殺菌方法では、O/H/N系の種を利用するものか或いは電界やプラズマ、放射線の直接的な作用を利用するものであったが、本発明の殺菌方法は、ガス−放電プラズマ中に形成された有機系の活性種を利用するものである。 Bactericidal active species based on O, H, and N atoms (NO 2 , H 2 O 2 , O 3 and corresponding radicals such as HO 2 , OH, etc.) as used in conventional methods and devices Is a disinfectant that is extremely ineffective compared to the by-products, radicals and ions of organic / air plasma in the present invention. Adding additive fluids / free fluids / carrier fluids such as organic compounds to the plasma does not significantly change the properties of the plasma-generated bactericidal active species, but significantly increases the concentration and relative amount of these species. Please pay attention to. One characteristic of the sterilization method of the present invention which is significantly different from the method using the conventional apparatus is that both organic substances and oxygen (air) are present in the gas-discharge plasma. Until now, in the conventional sterilization method, O / H / N type seeds were used, or the direct action of electric field, plasma, and radiation was used. -Utilizing organic active species formed in the discharge plasma.

本発明の方法と装置の有効性を実証するための実験を、レイヴァン・ラボラトリ(Raven Laboratories)から入手したバチルス・ズブチリス(Bacillus Subtillis)の標準的な生物学的胞子ストリップを用いて行なった。試験は、石英誘電体に設けた各キャピラリー(内径0.53mm)に挿入したワイヤ状の複数の第一の電極を有する誘電体キャピラリーセグメント化電極と、石英管(外径3mm、内径1.8mm)に入れた銅ワイヤ製受側電極を用いて行なった。第一の電極の先端は受側電極の軸の高さに合わせてある。バチルス・ズブチリスのストリップは、サスペンション媒体表面に生物学的物質が蓄積・堆積する状態に似せて、フィルタ媒体と接触させて設置した。フィルタについての最初の殺菌試験は、添加剤流体として周囲空気(乾燥した空気と考えられる)を注入して行なった。その後の試験は、種々の水蒸気やアルコール添加剤を用いて行ない、キャリア流体中のアルコールの有無によるフィルタ媒体の殺菌結果を比較した。具体的には、空気を水又はメチルアルコールに吹き込み、プラズマ生成殺菌活性種を胞子含有ストリップ上に噴霧するプラズマ反応器のキャピラリーに通した。   Experiments to demonstrate the effectiveness of the method and apparatus of the present invention were performed using standard biological spore strips of Bacillus Subtillis obtained from Raven Laboratories. The test consists of a dielectric capillary segmented electrode having a plurality of wire-like first electrodes inserted into each capillary (inner diameter 0.53 mm) provided in a quartz dielectric, and a quartz tube (outer diameter 3 mm, inner diameter 1.8 mm). This was carried out using a copper wire receiving electrode placed in (). The tip of the first electrode is adjusted to the height of the axis of the receiving electrode. The strip of Bacillus subtilis was placed in contact with the filter media to resemble the state of accumulation and deposition of biological material on the surface of the suspension media. An initial sterilization test on the filter was performed by injecting ambient air (considered as dry air) as the additive fluid. Subsequent tests were performed using various water vapors and alcohol additives, and the results of sterilization of the filter media with and without alcohol in the carrier fluid were compared. Specifically, air was blown into water or methyl alcohol and passed through the capillary of a plasma reactor that sprayed plasma-generated bactericidal active species onto the spore-containing strip.

添加剤として周囲(乾燥していると考えられる)空気を注入した実験では、胞子不活性化における非熱プラズマ処理の効果は、約5分間の処理時間後に顕著となり(90%不活性化)、胞子の成長は12〜15時間後に起こることが判明した。未処理の対照胞子は、最初の12時間内に成長を開始した。水又はアルコールの添加剤を用いた他の実験では、メチルアルコールの添加は不活性化速度を顕著に増加させると共に、好ましくないオゾン性汚染物質の濃度を抑制することが確認された。   In experiments where ambient (considered dry) air was injected as an additive, the effect of non-thermal plasma treatment on spore inactivation became noticeable after a treatment time of about 5 minutes (90% inactivation) Spore growth was found to occur after 12-15 hours. Untreated control spores started to grow within the first 12 hours. Other experiments using water or alcohol additives have confirmed that the addition of methyl alcohol significantly increases the deactivation rate and suppresses the concentration of undesirable ozone pollutants.

本発明に係るキャピラリー放電セグメント化電極型装置において、一定の放電出力(周波数50kHz)で、キャリアガス(周囲空気)中に各種添加剤(例えばメタノール、エタノール)を添加し、乾燥濾紙に組み込まれたバチルス・ズブチリスの胞子を不活性化させたときの殺菌効率の結果を下表に示す。   In the capillary discharge segmented electrode type apparatus according to the present invention, various additives (for example, methanol, ethanol) were added to a carrier gas (ambient air) at a constant discharge output (frequency 50 kHz) and incorporated into dry filter paper. The results of the bactericidal efficiency when the spores of Bacillus subtilis are inactivated are shown in the table below.

Figure 2005515843
Figure 2005515843

上表の結果から、フィルタ上流に置かれたプラズマ反応器が、空気フィルタ表面を殺菌するのに十分なラジカルを生成することは明らかである。このプロセスにおける殺菌速度は、いくつかの変数に依存することが判明した。このような変数の一つは、添加剤ガス/自由ガス/キャリアガスとして乾燥空気及び/又は他の選択された添加剤(アルコールや水等)を第一の誘電体に導入することにより、プラズマ化学反応を選択することである。添加剤流体/自由流体/キャリア流体の使用により殺菌速度は速くなるが、低濃度の粒子状物質の不活性化は、添加剤を用いなくても行なうことがことができる。殺菌速度に影響を及ぼす他の変数は、消費電力である。即ち、非熱プラズマ生成のために使用する電力が大きいほど、殺菌速度は速くなる。プラズマ放電装置からプラズマが放出される所と処理対象のサスペンション媒体との離間距離も、粒子状物質の殺菌速度に影響を及ぼす更に別の変数である。   From the results in the above table, it is clear that the plasma reactor placed upstream of the filter produces enough radicals to sterilize the air filter surface. The sterilization rate in this process was found to depend on several variables. One such variable is the introduction of dry air and / or other selected additives (alcohol, water, etc.) as additive gas / free gas / carrier gas into the first dielectric. It is to select a chemical reaction. The use of additive fluid / free fluid / carrier fluid increases the sterilization rate, but inactivation of low concentrations of particulate matter can be accomplished without the use of additives. Another variable that affects the sterilization rate is power consumption. That is, the greater the power used for non-thermal plasma generation, the faster the sterilization rate. The separation distance between the place where the plasma is discharged from the plasma discharge device and the suspension medium to be processed is another variable that affects the sterilization rate of the particulate matter.

実験結果から、胞子の不活性化は、プラズマ生成放電オフガス中のオゾン(それ自身が強力な殺菌剤である)の濃度と直接的な相関関係は無いことが判明した。これにより、プラズマ−化学反応に、電極を通してプラズマゾーンに注入された有機物から生成された何らかの殺菌活性種が関与していることが推測される。   Experimental results have shown that spore deactivation has no direct correlation with the concentration of ozone (which is itself a powerful disinfectant) in the plasma-generated discharge offgas. Thereby, it is presumed that the plasma-chemical reaction involves some bactericidal active species generated from the organic substance injected into the plasma zone through the electrode.

スリット誘電体ロッド型(R13)放電電極設計を使用し、中心チューブを通してエチルアルコール/空気混合物を注入した場合と注入しない場合について、更に実験を行なった。オゾンと窒素酸化物の濃度を、電極間に空気を流さずに(自然対流で)測定した。これらの実験結果を下表に示す。周波数60Hzのシステムにおける不活性化効率は高く、添加剤としてエタノール/空気混合物を注入すると、殺菌速度は著しく速くなった。   Further experiments were performed using the slit dielectric rod type (R13) discharge electrode design with and without injection of the ethyl alcohol / air mixture through the central tube. The concentrations of ozone and nitrogen oxides were measured without natural air convection between the electrodes. The results of these experiments are shown in the table below. The inactivation efficiency in the 60 Hz system was high and the sterilization rate was significantly faster when an ethanol / air mixture was injected as an additive.

Figure 2005515843
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空気キャリアガス(或いは他の酸素含有ガス)中の有機化合物がプラズマ放電装置を通過すると、様々なフリーラジカルや他の比較的長寿命な(電子や電子的に励起された種の寿命と比較して)殺菌活性種が生成される。これら反応生成物の例として、ヒドロパーオキシド(ROOH)やパーオキシ硝酸塩(RO2NO2)、有機硝酸塩(RONO2)、パーオキシ酸(RC(O)OOH)、カルボン酸(RC(O)OH)、有機ラジカル(パーオキシRO2、アルコキシRO、アシルパーオキシアシルRC(O)OO等)、他の殺菌活性種が挙げられる。酸素含有有機物のいくつか(例えばエチレンオキシド)は、強力な殺菌剤であることが知られている。フィルタをプラズマ放電装置の下流に置くことは2つの目的に対して機能を発揮する。即ち、汚染流体がプラズマ放電領域を通過する際に不活性化することと、プラズマ生成殺菌活性種がフィルタと接触する際に、捕集された好ましくない粒子状物質を不活性化することによりフィルタ媒体を浄化することである。これは、従来技術と異なる点である。従来技術は、フィルタ媒体を正負極間に挟んで配置することによりフィルタを殺菌するものであり、これについては米国特許第6,245,132号公報及び第6,245,126号公報に記載されている。本発明の配置の他の有利な特徴は、プラズマ放電装置が連続的にも断続的にも運転可能であるということである。 When organic compounds in an air carrier gas (or other oxygen-containing gas) pass through the plasma discharge device, they are compared to the lifetimes of various free radicals and other relatively long-lived (electronic and electronically excited species). And bactericidal active species are produced. Examples of these reaction products include hydroperoxide (ROOH), peroxynitrate (RO 2 NO 2 ), organic nitrate (RONO 2 ), peroxy acid (RC (O) OOH), carboxylic acid (RC (O) OH) , Organic radicals (peroxy RO 2 , alkoxy RO, acyl peroxyacyl RC (O) OO, etc.) and other bactericidal active species. Some of the oxygen-containing organics (eg ethylene oxide) are known to be powerful fungicides. Placing the filter downstream of the plasma discharge device serves two purposes. That is, the filter is activated by deactivating the contaminated fluid as it passes through the plasma discharge region, and by deactivating collected particulate matter when the plasma-generated sterilizing active species contacts the filter. It is to purify the medium. This is a difference from the prior art. The prior art sterilizes the filter by placing the filter medium between the positive and negative electrodes, which is described in US Pat. Nos. 6,245,132 and 6,245,126. ing. Another advantageous feature of the arrangement of the present invention is that the plasma discharge device can be operated continuously or intermittently.

本発明におけるプラズマ生成殺菌活性種は、酸素や水素、窒素をベースとして生成された従来の殺菌種(二酸化窒素、オゾン、過酸化水素、及びこれらに対応するラジカル、他の副生成物(ヒドロキシラジカル等)等)に比べより強い殺菌剤を含む。同時に、プラズマ生成殺菌活性種は比較的寿命が短いため、殺菌チャンバ内で、或いは粒子状物質をフィルタ上で不活性化した直後に分解する。従って、従来の化学殺菌剤に比べて、環境或いは健康に及ぼす害が少ない。   The plasma-generated sterilizing active species in the present invention is a conventional sterilizing species generated based on oxygen, hydrogen, or nitrogen (nitrogen dioxide, ozone, hydrogen peroxide, radicals corresponding thereto, and other by-products (hydroxy radicals). It contains a stronger disinfectant than At the same time, the plasma-generated sterilizing active species have a relatively short life and therefore decompose in the sterilization chamber or immediately after the particulate matter is deactivated on the filter. Therefore, there is less harm to the environment or health than conventional chemical disinfectants.

このように、本発明の新規な基本的特徴を、好ましい実施態様に即して図示し、説明し、指摘してきたが、当業者には、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、図示の装置の形状や詳細部及びその動作について、様々な省略、置換及び変更を行なうことができることが理解されよう。例えば、実質的に同一の方法で実質的に同一の機能を果たして同一の結果を達成する要素及び/又は工程の組合せは全て、本発明の範囲に含まれることが特に意図されている。記載した一実施形態における要素を別の実施形態に置換することも全て意図され考えられている。図面は必ずしも一定の縮尺で描かれているものではなく、元来、単に概念的なものであることも理解されるべきである。従って、本明細書に添付した特許請求の範囲によって示されるようにのみ限定されることを意図するものである。   Thus, while the novel basic features of the present invention have been illustrated, described, and pointed out in the context of a preferred embodiment, those skilled in the art will not be able to illustrate them without departing from the spirit and scope of the present invention. It will be understood that various omissions, substitutions and changes may be made to the shape and details of the apparatus and its operation. For example, all combinations of elements and / or steps that perform substantially the same function in substantially the same way to achieve the same result are specifically intended to be within the scope of the present invention. All replacements of elements in one described embodiment with another embodiment are contemplated and contemplated. It should also be understood that the drawings are not necessarily drawn to scale, but are merely conceptual in nature. Accordingly, it is intended that the invention be limited only as indicated by the claims appended hereto.

本明細書に言及した参考文献、刊行物、特許は全て、全体を本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。   All references, publications, and patents mentioned in this specification are hereby incorporated by reference in their entirety.

図1は、本発明に係る非熱プラズマ殺菌・汚染除去システムの概略図である。FIG. 1 is a schematic view of a non-thermal plasma sterilization / decontamination system according to the present invention. 図2aは、本発明に係る、キャピラリー誘電体放電構成を有する例示的な非熱プラズマ殺菌・汚染除去システムの長手方向断面図である。FIG. 2a is a longitudinal cross-sectional view of an exemplary non-thermal plasma sterilization and decontamination system having a capillary dielectric discharge configuration according to the present invention. 図2bは、図2aのキャピラリー誘電体構成のプラズマ放電装置における、ピンセグメント化電極と、それと組み合わされるキャピラリーの一つを例示的に示すものである。FIG. 2b exemplarily shows a pin segmented electrode and one of the capillaries combined therewith in the plasma discharge device of the capillary dielectric configuration of FIG. 2a. 図3aは、本発明に係る、非熱プラズマスリット誘電体放電構成を有する非熱プラズマ殺菌・汚染除去システムの例示的な断面図である。FIG. 3a is an exemplary cross-sectional view of a non-thermal plasma sterilization and decontamination system having a non-thermal plasma slit dielectric discharge configuration according to the present invention. 図3bは、図3aのプラズマ放電装置の例示的スリット誘電体R13ロッド構成である。FIG. 3b is an exemplary slit dielectric R13 rod configuration for the plasma discharge device of FIG. 3a. 図4は、サスペンション媒体が巻かれており、経路に沿って移動して非熱プラズマ放電装置により生成された非熱プラズマにさらされた後、処理されたサスペンション媒体が受側ローラに巻き取られるシステムの詳細を示す。In FIG. 4, the suspension medium is wound, and after being moved along the path and exposed to non-thermal plasma generated by a non-thermal plasma discharge device, the treated suspension medium is wound on the receiving roller. Show system details. 図5aは、少なくとも一方向に変位可能な、本発明に係る例示的非熱プラズマ殺菌・汚染除去システムの底面図である。FIG. 5a is a bottom view of an exemplary non-thermal plasma sterilization and decontamination system according to the present invention that is displaceable in at least one direction. 図5bは、図5aの殺菌・汚染除去システムの側面図である。FIG. 5b is a side view of the sterilization and decontamination system of FIG. 5a.

Claims (25)

殺菌・汚染除去システムであって、
プラズマ放電を通過させる少なくとも一個のアパチャを設けた第一の誘電体を有するプラズマ放電装置と、
プラズマ放電装置の下流に配置したサスペンション媒体と
を含む、殺菌・汚染除去システム。
A sterilization and decontamination system,
A plasma discharge device having a first dielectric provided with at least one aperture for passing the plasma discharge;
A sterilization / decontamination system comprising a suspension medium disposed downstream of a plasma discharge device.
更に添加剤流体を第一の誘電体のアパチャに注入してなる、請求項1に記載の殺菌・汚染除去システム。   The sterilization and decontamination system according to claim 1, further comprising injecting an additive fluid into the first dielectric aperture. プラズマ放電装置がキャピラリー誘電体型であり、少なくとも一個のアパチャがキャピラリーである、請求項1に記載の殺菌・汚染除去システム。   The sterilization / decontamination system according to claim 1, wherein the plasma discharge device is of a capillary dielectric type and at least one aperture is a capillary. プラズマ放電装置がスリット誘電体型であり、少なくとも一個のアパチャがスリットである、請求項1に記載の殺菌・汚染除去システム。   The sterilization / decontamination system according to claim 1, wherein the plasma discharge device is of a slit dielectric type and at least one aperture is a slit. 前記添加剤流体がアルコールである、請求項1に記載の殺菌・汚染除去システム。   The sterilization and decontamination system according to claim 1, wherein the additive fluid is alcohol. 前記アルコールがエタノール又はメタノールである、請求項5に記載の殺菌・汚染除去システム。   The sterilization / decontamination system according to claim 5, wherein the alcohol is ethanol or methanol. 前記添加剤流体が水蒸気である、請求項1に記載の殺菌・汚染除去システム。   The sterilization / decontamination system according to claim 1, wherein the additive fluid is water vapor. 前記添加剤流体が乾燥空気である、請求項1に記載の殺菌・汚染除去システム。   The sterilization / decontamination system according to claim 1, wherein the additive fluid is dry air. サスペンション媒体の下流に更に触媒媒体を配置してなる、請求項1に記載の殺菌・汚染除去システム。   The sterilization / decontamination system according to claim 1, wherein a catalyst medium is further arranged downstream of the suspension medium. プラズマ放電が非熱プラズマ放電である、請求項1に記載の殺菌・汚染除去システム。   The sterilization / decontamination system according to claim 1, wherein the plasma discharge is a non-thermal plasma discharge. プラズマ放電がコロナ放電型である、請求項1に記載の殺菌・汚染除去システム。   The sterilization / decontamination system according to claim 1, wherein the plasma discharge is a corona discharge type. プラズマ放電がバリア放電型である、請求項1に記載の殺菌・汚染除去システム。   The sterilization / decontamination system according to claim 1, wherein the plasma discharge is a barrier discharge type. プラズマ放電装置を用いて処理対象流体を殺菌・汚染除去する方法であって、該装置は、少なくとも一個のアパチャを設けた第一の誘電体と、前記少なくとも一個のアパチャの近傍に配置され且つ該アパチャと流体連通関係にある第一の電極と、第一の誘電体の近傍に配置した受側電極と、プラズマ放電装置の下流に配置したサスペンション媒体とを有し、該方法は、
第一の電極と受側電極とに電圧差を与え前記少なくとも一個のアパチャを通してプラズマ放電を放射することによりプラズマ生成殺菌活性種を生成する工程と、
生成された殺菌活性種に処理対象流体をさらす工程と、
さらされた後の処理対象流体から粒子状物質をフィルタに捕集する工程と、
生成された殺菌活性種をサスペンション媒体にスプレーすることにより、捕集された粒子状物質をサスペンション媒体から除去する工程と
を含む、処理対象流体を殺菌・汚染除去する方法。
A method of sterilizing and decontaminating a fluid to be processed using a plasma discharge device, the device being disposed in the vicinity of a first dielectric provided with at least one aperture, the at least one aperture and A first electrode in fluid communication with the aperture; a receiving electrode disposed in the vicinity of the first dielectric; and a suspension medium disposed downstream of the plasma discharge device, the method comprising:
Generating a plasma-generating sterilizing active species by applying a voltage difference between the first electrode and the receiving electrode and emitting a plasma discharge through the at least one aperture;
Exposing the treatment target fluid to the generated sterilizing active species;
Collecting particulate matter from the fluid to be treated after exposure to a filter;
A method of sterilizing and decontaminating a fluid to be treated, comprising: removing the collected particulate matter from the suspension medium by spraying the generated sterilizing active species onto the suspension medium.
生成する工程が、第一の誘電体のアパチャに添加剤流体を注入する工程を更に含む、請求項13に記載の方法。   14. The method of claim 13, wherein the generating step further comprises injecting an additive fluid into the first dielectric aperture. 添加剤流体が、空気、アルコール及び水の内の少なくとも一種である、請求項14に記載の方法。   The method of claim 14, wherein the additive fluid is at least one of air, alcohol, and water. サスペンション媒体を通過した後の処理対象の流体を触媒媒体に付す工程を更に含む、請求項13に記載の方法。   14. The method of claim 13, further comprising subjecting the fluid to be treated after passing through the suspension medium to the catalyst medium. プラズマ放電装置がキャピラリー誘電体型である、請求項13に記載の方法。   The method of claim 13, wherein the plasma discharge device is of a capillary dielectric type. プラズマ放電装置がスリット誘電体型である、請求項13に記載の方法。   The method according to claim 13, wherein the plasma discharge device is of a slit dielectric type. プラズマ放電装置がバリア放電型である、請求項13に記載の方法。   The method according to claim 13, wherein the plasma discharge device is of a barrier discharge type. プラズマ放電装置がコロナ放電型である、請求項13に記載の方法。   The method according to claim 13, wherein the plasma discharge device is a corona discharge type. プラズマ放電装置が非熱プラズマ放電装置である、請求項13に記載の方法   The method of claim 13, wherein the plasma discharge device is a non-thermal plasma discharge device. 前記添加剤流体がアルコールである、請求項14に記載の方法。   The method of claim 14, wherein the additive fluid is an alcohol. 前記アルコールがエタノール又はメタノールである、請求項22に記載の方法。   24. The method of claim 22, wherein the alcohol is ethanol or methanol. 前記添加剤流体が水蒸気である、請求項14に記載の方法。   The method of claim 14, wherein the additive fluid is water vapor. 前記添加剤流体が乾燥空気である、請求項14に記載の方法。   The method of claim 14, wherein the additive fluid is dry air.
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