JP2009022391A - プラズマ滅菌装置及びプラズマ滅菌方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】誘電体からなるとともに一端を大気開放され、滅菌の対象となる被滅菌物を内部に配置される管10と、管10の他端に接続され、管10の内部へ流通させるための水蒸気を発生させる水蒸気発生部30と、管10の中途に設けられ、管10の内部で誘電体バリア放電を起こす放電部20と、誘電体バリア放電に係る交流電圧を放電部20へ印加する電圧発生部40とを備える。
【選択図】図1
Description
滅菌法とは、すべての微生物を死滅させる処理方法である。医療現場で求められる滅菌後の微生物汚染の水準は10-6であり、これは1,000,000個の同一鉗子を滅菌した際に、そのうちの1個が微生物に汚染されているという水準である。これを無菌性保証レベル(SAL;sterility assurance level)という。
とする微生物は死滅させるが、一消毒法の抗菌スペクトルからは必ずはみ出た微生物が存在し、すべての微生物に有効なわけではない。消毒薬を例に取るならば、一つの消毒薬には必ず抵抗性を示す微生物が存在し、場合によってはその消毒薬の中で増殖する場合もある。
その中でも、とりわけ高圧蒸気滅菌が多用されている。高圧蒸気滅菌は飽和蒸気を用いて滅菌を行うものである。この方法が多用される理由は、(1)身近に大量に存在して安価である水を用いている、(2)気体である蒸気は熱を大量に保有・放出する、(3)蒸気は凝縮して水に戻るが無害で副作用の心配が無い、(4)水は科学的に安定した分子であり取り扱いが容易である、(5)蒸気は微細な空間にもよく浸透する、といった特長を有しているからである。特に、水は気体から液体に凝縮する際に大きな熱を放出し、そのエネルギーを滅菌に利用できるため、乾熱滅菌に比べ低温で滅菌でき効率的である。なお、高圧蒸気滅菌については、例えば、非特許文献1に記載されている。
小林寛伊(編),医療現場の滅菌,日本医科器械学会,2000.
請求項3記載の本発明のプラズマ滅菌装置は、請求項2記載のプラズマ滅菌装置において、該管が、円筒状に形成され、該第二電極が、円筒状をなして該管の外周に接着して配置され、該第一電極が、線状に形成され、第二電極の筒軸に対し偏心して配置されていることを特徴としている。
請求項6記載の本発明のプラズマ滅菌方法は、誘電体からなり一端を大気開放された管の内部に、滅菌の対象となる被滅菌物を配置する第一工程と、該管の他端から該管の内部へ水蒸気を供給する第二工程と、電極間に交流電圧を印加し、該管の内部に誘電体バリア放電を起こして該水蒸気をプラズマ化する第三工程とを備えたことを特徴としている。
請求項8記載の本発明のプラズマ滅菌方法は、請求項7記載のプラズマ滅菌方法において、該第一工程において、該管を円筒状に形成するとともに、該第二電極を円筒状に形成して該管の外周に接着して配置し、且つ、該第一電極を線状に形成して該第二電極の筒軸に対し偏心して配置することを特徴としている。
請求項10記載の本発明のプラズマ滅菌方法は、請求項6〜9の何れか1項に記載のプラズマ滅菌方法において、該第三工程において、放電1回当たりのエネルギーが所定量以上となる、所定範囲内の周波数の交流電圧を印加し、該誘電体バリア放電を起こすことを特徴としている。
また、上述のように定義したマイクロ放電の放電電流の最大値よりも大きな電流がパルス状に流れる放電を起こす大きさの交流電圧を放電部へ印加すれば、滅菌効果をより高めることができる。さらに、放電1回当たりのエネルギーが所定量以上となる所定範囲内の周波数の交流電圧を放電部へ印加しても、滅菌効果をより高めることができる。
図1は、本発明の一実施形態に係るプラズマ滅菌装置を示す模式的な構成図である。図2〜図28は、図1のプラズマ滅菌装置を用いて行った実験結果を示すものであって、図2〜図5は、印加電圧を変化させて水蒸気流中にプラズマを発生させたときの放電波形を示すグラフ、図6〜図9は印加電圧を変化させて空気中にプラズマを発生させたときの放電波形を示すグラフ、図10〜図13は印加周波数を変化させて水蒸気流中にプラズマを発生させたときの放電波形を示すグラフ、図14は図2〜図13の放電波形により算出された各条件における放電電流の最大値を示すグラフ、図15及び図16は図2〜図13の放電波形により算出された各条件における放電電力を示すグラフ、図17は印加電圧を変化させて水蒸気流中及び空気中にプラズマを発生させたときの放電電力を示すグラフ、図18〜図20は印加電圧を変化させて水蒸気流中にプラズマを発生させたときの放電部の管断面写真、図21は空気中にプラズマを発生させたときの放電部の管断面写真、図22〜図25は印加周波数を変化させて水蒸気流中にプラズマを発生させたときの放電部の管断面写真、図26〜図28は水蒸気流中にプラズマを発生させたときの滅菌結果を示す表である。
図1に示すように、プラズマ滅菌装置1は、管10と、放電部20と、水蒸気発生部30と、電圧発生部40とを有している。また、プラズマ滅菌装置1は、放電部20における二次生成物を考慮して、図示しないドラフト内に設置されている。
管10は、石英ガラスにより円筒状に形成され、一端を大気開放されて、滅菌の対象となる被滅菌物が内部に配置されるようになっている。なお、管10の一端は、ここでは、シリコンチューブ11が接続され、シリコンチューブ11の先端がビーカー12に差し込まれた状態となっており、シリコンチューブ11を介して大気開放されている。
水蒸気発生部30は、管10の他端に接続されており、所定の容量のフラスコ31と、フラスコ31を加熱するヒーター32と、発生した水蒸気を放電部20へと供給するシリコンチューブ33とを備えている。つまり、管10の他端にシリコンチューブ33が接続されている。そして、純水を入れたフラスコ31をヒーター32で加熱することで水蒸気を発生させ、発生した水蒸気が、シリコンチューブ33を介して放電部20へと供給されるようになっている。
電圧発生部40は、図3に示すように、ファンクションジェネレータ41と、デジタルオシロスコープ42と、高電圧電力増幅器43とを備えている。そして、ファンクションジェネレータ41により交流電圧を発生させ、高電圧電力増幅器43によりその交流電圧を1000倍に増幅し、増幅された交流高電圧が、放電部20に印加されるようになっている。放電の際は、デジタルオシロスコープ42を用いて、印加電圧V,放電電圧及び放電電流を測定する。
プラズマ滅菌装置1を用いた実験について説明する。この実験により、大気圧条件下で水蒸気プラズマ流を発生させ、印加電圧V及び印加周波数fを変化させることで、放電波形,放電電力P及び放電の様子がどのように変化するかを明らかにし、そのプラズマ特性および滅菌特性を明らかにする。
また、フラスコ31には容量500 mlのものを使用し、ヒーター32には定格出力が250 Wのマントルヒーター(AFR-5,大科電器株式会社)を使用し、シリコンチューブ33には内径φ10 mm,外径φ13 mmのものを使用している。
プラズマ特性の解明にあたり、まず、管10内の水蒸気流の流量および流速を測定する。水蒸気発生部30より生じた水蒸気を管10内に流し、管10出口で冷却することで、水蒸気が凝縮して水滴を生じる。水が液体から気体へと変化すると体積が1700倍となるため、水滴の増加量を測定することで、管10内に流れる水蒸気の平均流量が求まる。さらに、求めた平均流量を管10の断面積で割ると、管内水蒸気流の平均流速が求まる。
上記の方法で計測を3回行い、その平均より管内平均流量及び平均流速を求める。
放電波形の測定はオシロスコープ42により行なう。放電部20の長さL,印加周波数f及び印加電圧Vを変化させ、それぞれの条件で任意の瞬間における放電波形を測定する。その際に得られた波形から、式(1)により放電電力Pの算出を行なう。
P = VI…(1)
なお、測定は各条件につき3回行い、放電電力Pはその平均値として算出する。
放電部20の観察は管断面写真を撮影して行なう。印加周波数fを一定として印加電圧Vを変化させたとき、また印加電圧Vを一定として印加周波数fを変化させたときに放電の様子がどのように変化するかを観察する。なお、撮影にはデジタル一眼レフカメラ(D50,株式会社ニコン)を用いている。
滅菌実験は短時間判定用生物学的インジケータ(Attest 1291,住友スリーエム株式会社)を用いて行なう。本実験では、滅菌用サンプル(被滅菌物)としてジェオバシラス・ステアロサーモフィラス(Geobacillus stearothermophilus;ATCC 7933、以下芽胞菌という)を使用する。また、実験に使う器具はアルコール消毒してから使用する。
滅菌判定器50は、芽胞菌が成育する際に生じる酵素が蛍光反応を示し、その蛍光を読み取ることで滅菌の成否を判定するものである。判定にあたり、インジケータ内のガラスアンプルを圧搾する。アンプルの中には培養液が入っており、紙片が培養液に浸されることで芽胞菌が培養される。紙片が十分培養液に浸されたことを確認したら、インジケータを滅菌判定器50にかける。滅菌判定器50は、1時間の蛍光判定を行い、滅菌の成否を判定する。陽性(+)は滅菌の未完了を、陰性(−)は滅菌の完了を表す。この際、陽性コントロールとして滅菌処理を行っていないインジケータも同時に判定にかける。陽性コントロールが正しく陽性を示さない場合はインジケータの入っているインキュベータの保管状況を確認する。滅菌の判定が終わったインジケータはオートクレーブにより十分な滅菌処理を行ってから破棄するようにする。
[3. 実験結果および考察]
[3.1 プラズマ特性]
本実験では、大気圧における水蒸気流中にプラズマ流を発生するにあたり、管内に流れる水蒸気流の流量および流速を測定した。この水蒸気流中に印加電圧V及び印加周波数fを変化させてプラズマ流を発生させることで、放電状態がどのように変化するかを明らかにする。以下にその結果および考察を示す。
本実験で用いたマントルヒーター32の出力は250 Wであり、100 ℃における液体の水と気体の水とのエンタルピー差が2259 J/g であることから、マントルヒーター32による熱が理想的に水の蒸発のためだけに全て使われたと仮定すると、管内平均流量は11.3 l/min、平均流速は3.7 m/sとなる。しかし、熱損失が存在し一部の水蒸気が凝縮するため、実際の流速はこれよりも遅くなる。
実験では、3回の測定結果の平均より、管内平均流量8.1 l/minが得られた。これを流速に換算すると、管内平均流速は2.7 m/sとなる。すなわち、67 Wの熱損失が存在していると言える。
図2〜図5に、印加周波数f=3 kHz,放電部長さL=80 mm とし、印加電圧Vを11 kVpp〜14 kVppに変化させて、水蒸気流中にプラズマを発生させたときの放電波形を示す。
これら4つの条件のもの及び図4におけるf=3 kHz のものを比較すると、低周波に比べて高周波の場合の方が電流の最大値が大きいことが分かる。
図15に、放電波形より算出した各条件における放電電力値Pを示す。前述のように、V=13 kVppになるとV=12 kVppの場合に比べて倍近い最大電流が流れることが明らかになったが、放電電力Pはそれほど顕著に増加していない。これは、大きな電流が流れる瞬間が一瞬であるために、放電電力値Pにさほど影響しなかったものと考えられる。
f=3 kHzにおいて、印加電圧Vを11 kVppから14 kVppまで変化させると、放電電力Pは1.9,2.1,3.0,4.2 W と増加する。
図16に、同様の結果を用いて周波数fを横軸とした場合の放電電力値Pを示す。印加周波数fが増加すると放電回数も増加するので、それだけ放電電力Pも増加するものと推測できるが、印加電圧Vが14 kVppの場合を見ると、印加周波数fが3 kHz以上においては周波数fによる放電電力Pの違いはほとんど見受けられない。これは、f=5 kHzの場合に比べてf=3 kHzの場合の方が放電1回あたりのエネルギーが大きいことを表している。
図18〜図20に、印加周波数fを3 kHzの一定値とし、印加電圧Vを16〜18 kVppに変化させて(f=3 kHz,V=16〜18 kVpp)、水蒸気流中にプラズマを発生させたときの放電部20の管断面写真をグレースケールで示す。水蒸気中にプラズマを発生させると、ぼんやりと白い放電領域を確認することができる。なお、図18〜図20の管断面写真はグレースケールで示されているが、これをカラースケールでみると、放電領域は青白く発光していることが確認できる。印加電圧Vが増加すると、放電領域は徐々に管壁へと拡大する。つまり、図18に示すV=16 kVppの場合ではワイヤ電極21の付近のみに観測された放電領域が、図20に示すV=18 kVppの場合では管10の管壁まで到達している。
滅菌実験を行うにあたり、本実験で用いた芽胞菌に対して100 ℃の水蒸気のみによる滅菌処理を行った。この芽胞菌は100 ℃の水蒸気では滅菌されないとされており、実際に100分間の滅菌処理を行ったところ滅菌は確認されなかった。
本実験では、印加電圧V,印加周波数f及び放電部20の長さLを変化させ、大気圧の水蒸気流中にプラズマ流を発生させて滅菌実験を行い、大気圧水蒸気プラズマ流を用いた滅菌システムの可能性を検討した。以下にその結果および考察を示す。
図26に、印加周波数fを3 kHz,放電部20の長さLを57 mm とし、印加電圧Vを11〜15 kVpp に変化させたとき(f=3 kHz,L=57 mm,V=11〜15 kVpp)の大気圧水蒸気プラズマ流による滅菌結果を示す。印加電圧Vが12 kVpp の比較的小さい場合には、滅菌効果はほとんど確認されない。印加電圧Vが13 kVpp以上では、滅菌処理時間tを長くすることで滅菌効果が現れ始め、印加電圧Vが15 kVppのときには、滅菌処理時間tを20 分以上とすることで滅菌効果を確認することができる。
図28に、印加電圧Vを13 kVpp,放電部20の長さLを80 mmとし、印加周波数fを1〜5 kHzに変化させたとき(f=1〜5 kHz,L=80 mm,V=13 kVpp)の水蒸気プラズマ流による滅菌結果を示す。f=3 kHz及び4kHzにおいては滅菌効果を確認することができるが、その他の条件では滅菌効果を確認することができない。
すなわち、V=13 kVppにおけるf=3 kHzの場合とf=5 kHzの場合とでは、放電電力Pはそれぞれ3.0 W,3.5 Wとなっており、放電1回あたりのエネルギーはf=3 kHzの場合の方が大きいと言える。これにより、プラズマ中の電子のエネルギーが増加し、f=5 kHzの場合に比べてf=3 kHzの場合の方が高い滅菌効果を得ることができたものと考えられる。
得られた結果を以下にまとめる。
以上、本発明のプラズマ滅菌装置の一実施形態とその実験方法及び実験結果とについて説明したが、本発明のプラズマ滅菌装置は、上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
例えば、上記実施形態では、管10は石英ガラスから形成されたが、誘電体として機能しさえすれば、石英ガラス以外の材料により形成されていても良い。例えば、管10は、PFAやFEP等のフッ素樹脂,ポリイミド樹脂等の絶縁性ポリマー,DLCやチタン酸バリウム等の絶縁性無機物であっても良い。
10 管
11 シリコンチューブ
12 ビーカー
20 放電部
21 ワイヤ電極(第一電極)
22 接地電極(第二電極)
30 水蒸気発生部
31 フラスコ
32 ヒーター
33 シリコンチューブ
40 電圧発生部
41 ファンクションジェネレータ
42 デジタルオシロスコープ
43 高電圧電力増幅器
50 Auto-Reader(滅菌判定器)
Claims (10)
- 誘電体からなるとともに一端を大気開放され、滅菌の対象となる被滅菌物を内部に配置される管と、
該管の他端に接続され、該管の内部へ流通させるための水蒸気を発生させる水蒸気発生部と、
該管の中途に設けられ、該管の内部で誘電体バリア放電を起こす放電部と、
該誘電体バリア放電に係る交流電圧を該放電部へ印加する電圧発生部とを備えた
ことを特徴とする、プラズマ滅菌装置。 - 該放電部が、該管の内部に挿入された第一電極と、該管の外周に配置され接地された第二電極とを有し、
該電圧発生部が、該第一電極と該第二電極との間に該交流電圧を印加する
ことを特徴とする、請求項1記載のプラズマ滅菌装置。 - 該管が、円筒状に形成され、
該第二電極が、円筒状をなして該管の外周に接着して配置され、
該第一電極が、線状に形成され、第二電極の筒軸に対し偏心して配置されている
ことを特徴とする、請求項2記載のプラズマ滅菌装置。 - 該電圧発生部が、該放電部へ印加される該交流電圧が変動する前後の短時間にパルス状の放電電流が流れる所定電圧以上の交流電圧を該放電部へ印加する
ことを特徴とする、請求項1〜3の何れか1項に記載のプラズマ滅菌装置。 - 該電圧発生部が、放電1回当たりのエネルギーが所定量以上となる所定範囲内の周波数の交流電圧を該放電部へ印加する
ことを特徴とする、請求項1〜4の何れか1項に記載のプラズマ滅菌装置。 - 誘電体からなり一端を大気開放された管の内部に、滅菌の対象となる被滅菌物を配置する第一工程と、
該管の他端から該管の内部へ水蒸気を供給する第二工程と、
電極間に交流電圧を印加し、該管の内部に誘電体バリア放電を起こして該水蒸気をプラズマ化する第三工程とを備えた
ことを特徴とする、プラズマ滅菌方法。 - 該第一工程において、該管の内部に第一電極を挿入し、且つ、接地された第二電極を該管の外周に配置し、
該第三工程において、該第一電極と該第二電極との間に交流電圧を印加し、該誘電体バリア放電を起こす
ことを特徴とする、請求項6記載のプラズマ滅菌方法。 - 該第一工程において、該管を円筒状に形成するとともに、該第二電極を円筒状に形成して該管の外周に接着して配置し、且つ、該第一電極を線状に形成して該第二電極の筒軸に対し偏心して配置する
ことを特徴とする、請求項7記載のプラズマ滅菌方法。 - 該第三工程において、該放電部へ印加される該交流電圧が変動する前後の短時間にパルス状の放電電流が流れる所定電圧以上の交流電圧を印加し、該誘電体バリア放電を起こす
ことを特徴とする、請求項6〜8の何れか1項に記載のプラズマ滅菌方法。 - 該第三工程において、放電1回当たりのエネルギーが所定量以上となる、所定範囲内の周波数の交流電圧を印加し、該誘電体バリア放電を起こす
ことを特徴とする、請求項6〜9の何れか1項に記載のプラズマ滅菌方法。
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