JP2007160267A - 特殊反応方法と特殊反応装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、食品の改質、有害物質の分解、省エネルギー的な反応を一つの反応方法で容易に達成できる技術を開発する。
【解決手段】接地端子１５をアースした絶縁碍子７の上に目的とする処理対象の反応物４を収容する反応容器１を設置し、該反応容器１の周囲に高圧絶縁被覆電線をソレノイド状に巻き付けた電磁コイル２の一端１２を電気的に遮断し、他の一端１３を、該反応容器内に配置した電極３と共に交流高電位発生装置の出力端子５に絶縁被覆電線１１を介して接続し、交流高電位を印加し微少電流が流れる特殊反応装置において、該電磁コイル２によって誘導される交流磁場と反応容器１に設置した電極３による交流電界及び該電極３と処理対象物４の間で起きる電気化学的電極反応の複合作用を利用する。
【選択図】 図１

Description

本発明は微少エネルギーで大気、水、大地環境上有害物質の除去、食品の鮮度保持、味覚の向上、健康医療、省エネルギー分野など品質や性能の改善向上に関わる反応方法とその反応装置に関する。

従来のこの分野に関する技術に関しては、特開２００３−２９０７７７に食品の品質改善や各種の処理反応に有効な静電誘導装置技術が、特開平１１−２７６１３４、特開平１０−３０４８５９及び特開平１０−３０４８６０には静電誘導を利用した食品の鮮度保持技術が開示されている。

これらの技術は１０００〜３００００Ｖの交流高電圧下に処理対象食品を置くことで食品の静電誘導処理を行い、処理対象食品に負の電子を付与せしめて還元状態を作り鮮度保持しようとするものである。

また特開平０８−７０７６５、特開平０８−７０７７３にはそれぞれ静電誘導技術を活用した浅漬けの品質改善技術、コーヒーの熟成技術などが開示されている。しかし上記いずれの場合においても処理対象反応物を特定したものであり、処理対象反応物が液体、固体にかかわらず一つの方法で処理が可能でその効果が期待できるものはなかった。
特開２００３−２９０７７７ 特開平１１−２７６１３４ 特開平１０−３０４８５９ 特開平１０−３０４８６０ 特開平０８−７０７６５ 特開平０８−７０７７３

従来の技術では、交流高電位を印加して微少電流が流れる状況下で、電気化学的電極反応と交流電界による静電誘導に加えて、電磁気的な交流磁場を同時に作用させることは出来なかった。

電気化学的電極反応と交流電界による静電誘導、交流磁場を一つの装置で同時に作用させることができれば、水の改質、有害物質の除去、食品の鮮度保持、食味の改善、味覚の向上、健康医療の向上、省エネルギー貢献などの面で従来からの課題を一挙に解決することができる。

本件発明の目的とするところは、電気化学的電極反応と交流電界による静電誘導に加えて、電磁気的な交流磁場を同時に処理対象反応物に作用させ、電子・原子・分子的なレベルでの反応を通じて、食品の食味改善、鮮度保持、有害物質の分解除去、健康医療及び省エネルギーへの貢献等従来からの課題を極めて微少な処理エネルギーで、しかも安全性の高い方法により解決する特殊反応装置を提供することである。

前記課題を解決するために、請求項１では、処理対象物４に交流高電位を印加して微少電流が流れる状況下で、電気化学的電極反応と静電気的交流電界に加えてさらに交流磁場を複合的に作用せしめ微少電気エネルギーで処理対象反応物４の改質を行う特殊反応方法を述べている。

これにより処理対象物４に微少電流による、電気化学的電極反応と交流電界と電磁コイルによる交流磁場の複合作用を同時に利用することで幅広い分野における各種処理対象反応物を一つの方法で、より効率的に処理することができる。

請求項２では、一次側と絶縁された変圧器８の二次側巻き線の一端６を電気的に遮断し、他端５は処理対象物４を収容する反応容器１内に配置した電極３と反応容器１の外周に絶縁被覆電線をソレノイド状に巻いて一端１２を電気的に遮断した電磁コイル２の他端１３に接続し、交流高電位を印加し、該反応容器１を載置する反応容器台１４を絶縁碍子７に載せて該絶縁碍子７の接地端子１５をアース１８してなる反応装置において、前記電極３及び電磁コイル２とアース間の高インピーダンスによる微少電流により該電極３と反応物４間で起きる電気化学的電極反応と該電極３とアース１８間に生じる交流電界と反応容器１に巻いた該電磁コイル２により生じる交流磁場による作用を複合的に利用する請求項１に記載の特殊反応方法を述べている。

これにより微少電流の具体的な発生回路を示し、微少電流により発生する電気化学的電極反応と静電気的交流電界に加えて電磁コイルによる交流磁場を同時に処理対象反応物４に作用させる方法を具体的に実現できる。処理対象反応物４については水分を含有する物なら固体、液体の別を問はない。

請求項３では、反応容器１内に配置する電極３は、金属や炭素などの導電体又は、導電体を圧電性高誘電体系素材で被覆された複合体電極であることを特徴とする請求項２に記載の特殊反応方法を述べている。

これにより対象反応物４が電解質を含む導電体である場合は、過大な電流が流れ危険であることから導電体電極に代わり高抵抗を有する該複合体電極が使用され微少電流下での反応を進行させることができる。

この複合体電極では、交流の印加電位に応じて、複合体電極の圧電性誘電体に応力変位が生じ振動を起こさせることで反応物の拡散、物質移動が早まり電極反応をより一層促進させる利点も生じることになる。

請求項４では、反応容器１内に配置する電極３は、金属や炭素などの導電体と反応を促進する働きをする合目的の触媒を担持させた担持電極であることを特徴とする請求項２に記載の特殊反応方法を述べている。

これにより反応が促進されると共に反応の選択性が向上することになる。例えばＰｄ／Ｃ触媒担持電極で水溶液亜硝酸の還元反応が、Ｐｄ／Ｃｕ／Ｃ触媒担持電極では硝酸の還元反応が著しく促進されることになる。

請求項５では、一次側と絶縁された変圧器８の二次側巻き線の一端６を電気的に遮断し、他端５は処理対象反応物４を収容する反応容器１内に配置した電極３と反応容器１の外周に絶縁被覆電線をソレノイド状に巻いて一端１２を電気的に遮断した電磁コイル２の他端１３に接続し、交流電位５０〜１００００Ｖを印加し得る構成とし、該反応容器１を載置する反応容器台１４を絶縁碍子７に載せて該絶縁碍子の接地端子１５をアース１８してなる反応装置において、前記電極３及び電磁コイル２とアース１８間の高インピーダンスによる微少電流による該電極３と反応物４間で起きる電気化学的電極反応と交流電界と反応容器１に巻いた該電磁コイル２により生じる交流磁場による作用とを複合的に利用する特殊反応装置を述べている。

これにより請求項２に記載の特殊反応方法を実際に実施する反応装置として、高圧トランスの二次電位が５０〜１００００Ｖの範囲で印加できる特殊反応装置を実現できる。

処理対象物４を収容する反応容器１の材質については絶縁体、導電体の別を問わない。処理対象物４や反応処理中のｐＨや発生する腐食性ガスなどに応じて容器材質を選択すると良い。

本発明の特殊反応は、交流高電位が印加された電極３と反応物４間に起る電気化学的電極反応と交流電界作用及び交流磁場作用が複合して起る。

その電気化学的電極反応において、交流高電位が印加された電極３では水の電気化学的反応により負極では電子の付加反応によりＨ^＋ から水素原子ＨやＨ_２ 及び水和電子ｅＨ_２Ｏや溶存酸素からスーパーオキシドアニオンＯ_２ ⁻ が生ずる還元反応が、陽極では電子の引き抜きによるＯＨ⁻ からＯＨラジカルＯＨ・、酸素原子Ｏ、酸素Ｏ_２ が生ずる酸化反応が起きて周波数に応じて負と陽の反転が繰り返され電極反応が進むことになる。

大気下、水の交流電界下の反応では水和電子ｅＨ_２Ｏ やスーパーオキシドアニオンＯ_２ ⁻ が生じる。反応式で示せば下記のようになる。

水和電子、スーパーオキシドアニオンは電子のキャリヤーとして特にＦｅ^３＋の還元やハロゲンの還
元反応に関与し、そしてラジカルＯＨ・や過酸化水素Ｈ_２Ｏ_２と逐次的に生産し酸化分解反応に寄与することになる。

特に、負極においてＨ^＋が電極３まで拡散し、電子の付加反応によって水素原子Ｈを生じる。この反応系に存在する目的とする反応物Ｒが極性分子や電解質であると、負極に拡散移動し電極３上で水素原子と反応し水素付加による還元反応や電子付加による還元反応が生じる。

陽極においてはＯＨ⁻が電極３まで拡散し電子が引抜かれ電極３上でＯＨ・ラジカルやＯ原子が生じる。この反応系に存在する目的とする反応物Ｒが極性分子や電解質であると、陽極に拡散移動し電極３上でＯＨ・ラジカルや酸素原子Ｏと反応し酸素付加反応による酸化や電子引き抜きによる酸化反応が生じる。

交流高電位が印加された電極３では、周波数に応じて電極３が負と陽に反転し還元反応／酸化反応が繰返されることになる。このような反応系においてＨ^＋の電極３への拡散速度がＯＨ⁻ の電極への拡散速度より約２倍も早いことから総合して還元反応が酸化反応よりも優位に進行するようになる。

上述したような電極３上や電極３近傍での反応場から外れたバルク上の反応場においても反応物の極性分子Ｒ^＋やＲ⁻と反応系の活性分子種Ｈ^＋やＯＨ⁻ 、ｅＨ_２Ｏ、Ｏ_２ ⁻ などとの反応が起るが、電気化学的電極反応では電極３上で反応が主として起る。

さらに処理対象反応物４に電極３を通して交流電界が作用した場合、反応物質が持っている極性分子にプラス＋、マイナス−のより大きな電荷変位を有する活性極性分子種が生じ、交流周波数に応じて＋−が変動し且つ靜電的誘電振動が誘発されると共に、反応容器１に巻かれたソレノイド状の電磁コイル２によって誘導される交流磁場の作用で、電極３近傍に集中する不均一な電界エネルギーを電極３から離れた反応容器１壁近傍にもより均等にエネルギーを捕捉付与させるよう働き、処理対象反応物４内に微少振動を生じせしめる。

これらの振動が相乗的に働いて反応に関わる反応物４の活性分子種の衝突頻度と拡散速度の増大をもたらし総合的に処理対象反応物４の反応が促進される。

上記処理対象反応物４内に生じる上記微少振動では液体中に圧力変化が生じ、これによって周波数に対応した断熱膨張／圧縮の繰返しによるマイクロキャビテーションが局所的に発生し、そのマイクロキャビテーションの周辺では高温、高圧状態が生じ、その後マイクロキャビティーが圧壊すると、水分子のラジカル分解が生じ反応に関わる活性分子種の水素原子ＨやＯＨ・ラジカル等が生じる。

これら活性分子種は、前記圧電性誘電振動によって反応物質に生じる活性な極性分子種と反応し、かつ電気化学的電極反応における還元反応や酸化反応に関わる活性分子種などとも相乗的に反応を起こし目的とする反応が促進される。

キャビティーの圧壊は電極などの固体側より液体側の圧力が大きいので自ずと電極界面への物質拡散移動が速やかに促進されることになる。

上述したように交流高電位が印加された電極反応に加えて交流電界や交流磁場が重畳した反応場に水分を含む処理対象反応物Ｒが存在すると、Ｒは水素イオンＨ^＋、水素原子Ｈ、水素Ｈ_２などとの反応や電子ｅの付加反応などによる還元反応やＯＨイオンＯＨ⁻やＯＨ・ラジカル、酸素原子Ｏ、酸素Ｏ_２などとの反応や電子を引抜く反応などによる酸化反応との競争反応によって生成物質Ｐを生じると考えられる。

全体として還元反応が優位になるか酸化反応が優位になるかは反応系における酸化還元電位により支配される。定性的には次の反応式で示される。

究極的には反応物Ｒは、反応物が還元された生成物の還元体ＲＨと／反応物が酸化された酸化体ＲＯやＲＯＨとが共存し、酸化還元電位が負に低ければ生成物Ｐは還元体ＲＨが優勢に、酸化還元電位が陽に高ければ生成物Ｐは酸化体が優勢になる。

本反応に消費されるエネルギーは、計測される電流値が数ｍＡであることから数ワットであるがこれは上記の水分を含む反応物において改質やこれに準じる反応を起こすに十分なエネルギーであるといえる。

反応容器１内に配置する電極３に、金属や炭素などの導電体と圧電性高誘電体系素材の複合体電極を採用した場合反応に関わる分子種が交流電界により活性化され反応がより効率的に促進される。

導電性を有する電極材としてステンレス、ニッケル、金、白金、亜鉛、錫、チタン、炭素などを、又圧電性高誘電体としてジルコチタン酸鉛系セラミックスや二弗化ビニリデン及びビニリデンシアナイド系ポリマー及び該セラミックス粉体の混合物を金属電極と接合又は被覆させた複合体電極として用いることができる。

反応容器１内に配置する電極３に、目的とする反応を促進するため合目的の触媒を担持させた担持電極を採用した場合反応に関わる上述した分子種がより活性化され反応がより高効率に行われる。

図１に本発明の特殊反応装置の構成を示す。交流高電位発生装置１０は、一次側と二次側が絶縁された変圧器８からなり、変圧器８の二次巻線の一端６は変圧器内部で電気的に遮断されており他の一端を出力端子５として、一次側には電圧調整する調整器１７から構成されている。

処理対象物４を収容する反応容器１の外周に絶縁被覆を有する導線からなる電磁コイル２をソレノイド状に巻き交流磁場を発生させる。該電磁コイル２の一端１２は電気的に遮断されており、他端１３は反応容器１内に配置する交流電位印加電極３と一緒に交流高電位発生装置１０の出力端５に絶縁被覆導線１１を介して接続する。

交流電位印加電極３は、処理対象物４が液体の場合は該電極３を液中に沈めて反応容器１の底部に接触しないように配置し、処理対象物４が水分を含む固体の場合は該電極３を固体内に埋設するか処理対象物４に接触するように配置する。

セラミックス製絶縁碍子７の接地端子１５を三種以上の接地抵抗でアース１８し、上記反応容器１は、絶縁碍子７の上に設置された反応容器台１４に固定される。該反応容器台１４は絶縁体製であることが好ましい。

電磁コイル２の一端子１２が電気的に遮断され、かつ交流高電位発生装置１０のトランス８の二次側端子の一端６が電気的に遮断され、そして反応容器１が絶縁碍子７で絶縁されている。

電極３とアース１８間、及び電磁コイル２とアース１８間には静電容量のキャパシタンスとインダクタンスと絶縁抵抗のレジスタンスからなる高インピーダンス、数１０ＭΩ以上が存在することになり、５０〜１００００Ｖの交流電位が印加された状態で許容される微少電流がコイル２や電極３を通して反応容器１内の反応物４に流れることになる。

従ってその微少電流によってコイル２からは交流磁場を発生し、電極３からは交流電界を生じて反応物４に微少振動を誘発し、又電極３近傍で起きる電気化学的電極反応と合わせて反応対象物４に複合的に作用し効率的な反応が進行する。以下実施例について説明する。

本発明になる特殊反応装置（図１）を用いて水道水４０００ｌを処理した結果を以下に示す。

上記結果から、塩素臭の消失、水の粘性低下、皮膚への浸透性向上、酸化還元電位の低下（還元側へのシフト）等の改質が認められる。皮膚への浸透性の向上や還元力の改善からは、成分抽出用水、飲料水や化粧用水としての応用が期待できる。

水溶液中の硝酸、亜硝酸体の除去例について説明する。特殊反応装置（図１）においてステンレス製反応容器（１．１８ｌ）を採用し、硝酸ナトリウム、亜硝酸ナトリウム塩をそれぞれ飽和水素精製水に溶解しＮＯ_３ ^ー ，ＮＯ_２ ^ー がそれぞれ３０ｐｐｍになるように、かつｐＨ６．０になるように０．０４Ｍ−ＨＣＬ溶液を滴下し調節した反応物溶液３００ｃｃを入れ、その中央部にステンレス製電極を挿入、その反応容器には一方の端子が電気的に閉じた電磁コイルを長さ１５ｃｍに巻き処理した結果と、電磁コイルを採用しない場合の結果を次に示す。

上記反応において電極に、５％Ｐｄ担持／Ｃ触媒を共存させた場合はさらに反応速度を速めることが出来た。このことから交流磁場によって振動が誘起され反応に関与する活性分子種の衝突頻度が増大し反応が促進され、究極的に次のような反応が起きているものと考えられる。

プロポリスは、抗酸化健康食品として市販されているが、水に難溶性で摂取しがたい欠点を有している。本発明になる特殊反応装置を用いた水溶性プロポリス（粉末）の収量改善例を次に示す。

使用した図１に示す特殊反応装置で応容器１にはステンレス製反を用いた。反応物４は、プロポリス１５ｇをエチルアルコール５０％精製水溶液３００ｃｃに加え反応容器に入れ、次の条件で処理した。

処理後濾紙で溶液を濾過して濾液を凍結乾燥してプロポリス（水溶性）１２．３ｇを得、反応容器に電磁コイルを巻かないときの収量８．９ｇに比べて３８％の収量改善になった。これはプロポリスに親水基が誘導されたことにより水溶性プロポリスに転化した結果と考えられる。

この方法で製造したプロポリスが抗癌剤による脱毛、食欲不振などの副作用を軽減する効果や悪性腫瘍から放出されるサイトカインやエンドトキシンを低下させて倦怠感や発熱等の症状を軽減する効果があることも臨床的に確認されている。

次に大根やいちご等の生鮮食品の味覚改善例について紹介する。

大根おろし５００ｇといちご５００ｇをそれぞれ反応容器に入れ上記の条件で処理した結果、大根おろしでは辛みが低減し甘さが増加した。いちごでは酸味が低減し甘味が増加した。

これはチロシナーゼ、アミラーゼ、プロテアーゼ、オキシターゼ等の加水分解酵素が活性化されて酵素反応が促進したことによるもので、特にチロシナーゼ酵素の活性化によってグリコシナートから脱離した辛味成分イソチオシアネート類の分解により辛味が低減したものと考えられる。

これらの反応の一方で澱粉の分解糖化反応によって糖成分に転化したことにより大根のおいしさが増したものとかんがえられる。またいちごにおいても同様に酵素反応が促進され酸味が加水分解して低減する一方で澱粉の分解糖化反応によって甘味が増しておいしさが向上したと考えられる。同様に他の根菜類や果実においても食味の改善に効果が期待できる。

次に、赤飯を蒸器で造る時の省エネルギー効果の実施例について紹介する。図１の反応容器の代わりに電磁コイルを巻いた蒸器を、接地端子をアースした絶縁碍子に載せたヒーターに載せて処理した。

蒸器はお湯を沸かす釜とお米を入れて蒸す蒸籠とから構成されており、電磁コイルは釜の部分に巻き、電極はお湯の中に、釜に接触しないように固定してある。

上記の処理条件で赤飯が蒸し上がるまでの所要時間は、３０〜４０分であった。本装置によらない通常の場合に５０〜６０分を要することから約２０分の時間短縮とそれに伴う消費エネルギーの節減が可能であることが判った。

これは電子が蒸器に付加し、負の蒸気イオンを生じ、この負の蒸気イオンが相互に反発微細化して活発化した蒸気イオンの熱分子運動により加熱効率を向上させた結果と考えられる。

上述したように本発明の特殊反応方法と特殊反応装置は交流高電位下で電気化学的電極反応と交流電界による作用及びソレノイド状に巻かれた電磁コイルによる交流磁場が複合して反応物に作用するよう構成されているので実施例１〜５に示すような諸々の反応を効率よく促進することができる。

さらに前記実施例に限定されることなく、電気化学的電極反応、交流電界と交流磁場によってもたらされる、還元作用や活性分子種及びマイクロキャビテーション等による効果が各分野で広く活用できる。

本発明になる特殊反応装置の概略構成図

符号の説明

１ 反応容器
２ 電磁コイル
３ 電極
４ 処理対象物
５ 交流高電位発生装置の出力端子
６ 一端を電気的に遮断された交流高電位発生装置の二次巻線の一端
７ 絶縁碍子
８ 変圧器
１０ 交流高電位発生装置
１１ 高耐圧絶縁被覆導線
１２ 電磁コイルの電気的に遮断された一端
１３ 交流高電位発生装置の出力端子に接続する電磁コイルの一端
１４ 反応容器の設置台
１５ 絶縁碍子の接地端子
１６ 交流高電位発生装置の接地端子
１７ 電圧調整器
１８ アース

Claims (5)

1. 目的とする処理対象の反応物に交流高電位を印加して微少電流が流れる状況下で、電気化学的電極反応と静電気的交流電界に加えてさらに交流磁場を複合的に作用せしめ微少電気エネルギーで処理対象反応物の改質を行う特殊反応方法。
2. 一次側と絶縁された変圧器の二次側巻き線の一端を電気的に遮断し、他端は処理対象反応物を収容する反応容器内に配置した電極と反応容器の外周に絶縁被覆電線をソレノイド状に巻いて一端を電気的に遮断した電磁コイルの他端に接続し、交流高電位を印加し、該反応容器を載置する反応容器台を絶縁碍子に載せて該絶縁碍子の接地端子をアースしてなる反応装置において、前記電極及び電磁コイルとアース間の高インピーダンスによる微少電流による該電極と反応物間で起きる電気化学的電極反応と交流高圧電界と反応容器に巻いた該電磁コイルにより生じる交流磁場を複合的に作用せしめる請求項１に記載の特殊反応方法。
3. 反応容器内に配置する電極は、金属や炭素などの導電体又は、導電体と圧電性高誘電体系素材の複合体電極であることを特徴とする請求項２に記載の特殊反応方法。
4. 反応容器内に配置する電極は、金属や炭素などの導電体と反応を促進する働きをする合目的の触媒を担持させた複合体電極であることを特徴とする請求項２に記載の特殊反応方法。
5. 一次側と絶縁された変圧器の二次側巻き線の一端を電気的に遮断し、他端は処理対象物を収容する反応容器内に配置した電極と反応容器の外周に絶縁被覆電線をソレノイド状に巻いて一端を電気的に遮断した電磁コイルの他端に接続し、交流高電位、５０〜１００００Ｖを印加する構成とし、該反応容器を載置する反応容器台を絶縁碍子に載せて該絶縁碍子の接地端子をアースしてなる反応装置において、前記電極及び電磁コイルとアース間の高インピーダンスによる微少電流による該電極と反応物間で起きる電気化学的電極反応と交流電界と反応容器に巻いた該電磁コイルにより生じる交流磁場による作用を複合的に利用する請求項１、２、３、４に記載の特殊反応方法を実施する特殊反応装置。
   

Images