JP2010142446A - パルス電界殺菌装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電流に代えて電圧による殺菌効果（電界殺菌）を実現するために電極面間に通電防止手段を配し、通電による発熱を低減（防止）することができるパルス電界殺菌装置を提案する。
【解決手段】１対の電極を対向させた液体流路とこれら電極と接続したパルス電源とを有し、それら電極の間に被処理液体が通過する際に、これら電極間にパルス高電圧を印加して、この被処理液体中の細菌類を殺すように設けたバルス電界殺菌装置において、これら電極の極面間に、絶縁物からなる少なくとも一つの通電防止手段を固定することで、それら電極の間を絶縁して陽極から陰極へ電流が流れることを阻止する。
【選択図】図２

Description

本発明は、パルス電界殺菌装置、特に液体食品・液体固体の混合食品、池や湖沼の水、風呂水など被処理液体中の細菌類を殺菌する装置に関する。なお、本明細書において、「細菌類」とは、細菌、酵母、真菌などの微生物や藻であって、電界により殺し、或いは不活性化することができるものをいう。

この種の装置として、被処理液体を入れた水槽内に一対の電極を対峙させ、正負反転する高電圧パルスを印加することで放電を生じるものが知られている（特許文献１の段落００１３）。これは、水中で絶縁破壊を起こす限界以上の電圧をかけて放電させ（電流を生じさせ）て、大きなエネルギーを与えるとラジカルやプラズマなどが発生し、これらが細胞や有機物を酸化分解する、という”放電殺菌”を原理とする技術である。

また被処理液体が流通する液体流路内に一つの電極を設置した流水型の殺菌装置において、電極面の表面を一部を除いて絶縁物で覆うことで、その被被覆箇所に電界を集中させ、電気泳動・誘電泳動により菌を捕捉し、殺菌するものが提案されている（特許文献２、特許文献３）。
特許第４１０１９７９号 特開２０００−６１４７２ 特開２００１−１７９８０

特許文献１〜３を含めた従来のパルス電界殺菌装置は、液相に金属面の一部または全部を露出した１対の電極間にパルス高電圧を印加するようにしている。その結果として電極間にイオン電流が流れるので被処理液体が通電加熱されて温度が高くなる。このために特に食品の場合は温度上昇による劣化（栄養分例えばビタミンＣの分解、変色など）を生ずるおそれがあり、これを回避するために予め被処理液体を冷却する可能性があった。また電極の一部が損傷するおそれもあった。

また上記特許文献１〜３のパルス電界殺菌装置では、被処理液体の導電率が大きくなると、パルス電源から見こんだインピーダンスが小さくなり、パルス電源の容量が大きくなったり、印加できるパルス電圧が低下したりしてしまう。パルス電界殺菌では、少なくとも１０ｋＶ／ｃｍの電界強度を達成するための高電圧パルスを印加する必要がある。そのために、電極間の電気抵抗がパルス電源の出力インピーダンスよりも大きくなるように電極を構成しなければならなかった。そのため、装置を大型化することが難しかった。

本発明の第１の目的は、電流に代えて電圧による殺菌効果（電界殺菌）を実現するために電極面間に通電防止手段を配し、通電による発熱を低減（防止）することができるパルス電界殺菌装置を提案することにある。

本発明の第２の目的は、通電防止手段の誘電率を被処理液体の誘電率と同等以上とすることで、液体流路中の電界強度の低下を防止することを提案することである。

本発明の第３の目的は、上述の電界殺菌を原理とするパルス電界殺菌装置において陽極を液相中に露出させることで殺菌効果を確実にすることである。

第１の手段は、
１対の電極を対向させた液体流路とこれら電極と接続したパルス電源とを有し、それら電極の間に液状食品や各種用水などの被処理液体が通過する際に、これら電極間にパルス高電圧を印加して、この被処理液体中の細菌・酵母・真菌・藻類などの細菌類を殺すように設けたパルス電界殺菌装置において、
これら電極の極面間に、絶縁物からなる少なくとも一つの通電防止手段を固定することで、それら電極の間を絶縁して陽極から陰極へイオン電流が流れることを阻止することを特徴としている。

本手段では、１対の電極間に絶縁物でなる通電防止手段を介在させることで電極間の通電（放電）を防止することを提案している。電極間に電流を流すことなく、電圧をかけることで細菌類を殺菌することができることは、出願人が実験により知り得た知見である。

ここで本発明の電界殺菌の原理を説明する。図５に示すように電界の中に細菌Ｂなどの細胞を置くと、細胞膜の両側（内側と外側）に、外部の電界強度に比例した電位差がかかる。細胞膜にかかる電位差Ｖｍは次の式で与えられる。ａは細胞半径、ｈは細胞膜厚、Ｅは電界である。
［数式１］Ｖｍ＝１．５×ａ×Ｅ×ｃｏｓθ／ｈ
細胞の種類に関わらず、Ｖｍが基準値（Ｖｍ＝１Ｖ程度とすることができる）に達すると細胞膜に穿孔が生ずることが実験的に分っている。前述の特許文献１及び特許文献２の”放電殺菌”方式が強制的な通電（放電）を起こさせ、殺菌力のある物質を生成するものであるに対して、本発明の”電界殺菌”方式は通電（放電）を抑制して細胞膜を電界で破壊するものであり、逆の思想に基づくものである。

「通電防止手段」は、電極面間の通電を実質的に阻止する機能を有する。そのためには特許文献２のように電極面の一部を絶縁物で覆うのではなく、陽極の表面の任意の一部か陰極の表面の任意の一部へ通電防止手段を通らずに到達することができないように、通電防止手段の形状・位置を設計することが望ましい。例えば電極面全体を覆う通電防止板とすることができる。通電防止手段は、後述の図示例のように電極の表面を覆ってもよいが、例えば両電極の途中の位置に両極を電気的に隔離する様に配置してもよい（図６(b)参照）。

「陽極から陰極へイオン電流が流れることを阻止する」とは、液体流路の電極と電極との間を実際に電荷（イオン）が移動することを阻止するという意味である。流体流路の静電容量を充電するためのいわゆる変位電流は、本願で阻止される電流から除外される。また、帯電したイオン粒子が電気泳動や水路の流れにより移動することも電流であるが、電極から電極への電荷の移動ではないので対象外である。イオン電流を流さなくても、電圧を加えることで、菌類、菌類と藻類、或いは菌類と藻類と微生物を十分に殺すことができる。

「絶縁物」は、十分な通電阻止作用を実現するために、誘電率が高いものであることが望ましい。好適な素材は、セラミック、鉱物、ガラス、樹脂、ゴムなどである。具体的には、絶縁物は薄い板状又は層状であって、その厚さが小さく、誘電率が高いものとすることが望ましい。

「パルス電源」で与えられる電極間の電位差Ｖ及び「液体流路」の流路巾ｄは、次の数式２と前述の数式１とを用いて、細菌類の半径ａに応じた電界強度Ｅが得られるように設定することが望ましい。
［数式２］Ｅ＝Ｖ／ｄ
第２の手段は、第１の手段を有し、かつ
被処理液体を水溶液や懸濁水などの水を主成分とする液体とし、かつ上記通電防止手段を形成する絶縁物の誘電率を、被処理液体の誘電率と同等以上としている。

本手段は、通電防止手段を形成する絶縁物を被処理液体と同程度又はそれ以上の高誘電率の素材とすることを提案している。前述の通り、セラミック板などの誘電体（絶縁物）を入れ、両電極間を液体が流れても絶縁する方法では、セラミック板の誘電率が被処理液体の誘電率よりも小さいと、折角パルス電圧を印加してもセラミック板の内部に形成される電界が大きくなり、被処理液体に形成される電界が小さくなってしまう。例えば図６（ａ）に示す間隔ｄの平行平板電極（無限平板を仮定）間にＶｐなるパルス電圧（ピーク値）を印加した場合の被処理液体には先の数式２の関係により、Ｅ＝Ｖｐ／ｄなる電界が形成される。他方、図６（ｂ）に示すように平行平板電極（間隔ｄ_０＋ｄ_０／Ｎ）の内側に厚さｄ_０／Ｎの比誘電率ε_ｉ１の誘電体を挿入したものとする。但し、ｄ_０は液相の厚さであり、図６（ａ）の場合の電極間距離ｄと等しいものとする。両電極間にＶｐなるパルス電極（ピーク値）を印加した場合の被処理液体（比誘電率ε_ｉ２）には、被処理液体中の電界強度は、被処理液体の導電率が小さい場合（１００μＳ／ｃｍ以下）には次の数式３のようになる。
［数式３］Ｅ＝［Ｎ×ε_ｉ１／（ε_ｉ２＋Ｎ×ε_ｉ１）］×［Ｖｐ／ｄ_０］
例えばＮ＝１０とするとともに、被処理液体を水（ε_ｉ２＝８０）とし、かつ誘電体をアルミナセラミック（ε_ｉ１＝８．５）とすると、図６(b)において被処理液体に形成される電界強度は図６(a)のそれの約半分程度となってしまい、十分な電界強度を確保することができなくなってしまう。すなわち図６(a)と同じ電界強度を確保するためには、約２倍のパルス電圧を印加する必要がある。Ｎを大きくしていく、つまり誘電体を薄くすると、印加パルス電圧はそれほど大きくせずに被処理液体に形成される電極強度を保つことができるが、そうなると誘電体内の電界強度も大きくなる。そうなると、絶縁破壊を生じ、誘電体に孔が開いてしまうおそれがある。そこで本手段では絶縁物の誘電率を被処理液体の誘電率以上とすることを提案している。理論上では上記数式３のうちの［Ｎ×ε_ｉ１／（ε_ｉ２＋Ｎ×ε_ｉ１）］の項が極大となるようにすることが最も好適ということになる。なお、この考え方は水以外の被処理液体についても成立する。しかしながら、被処理液体を任意とすると通電防止手段の構成（誘電率）を特定できないおそれがあるため、最も普通の被処理液体として水を主成分とするものを選択した。

水の比誘電率は温度によって大きく変化するが２０℃で８０．４であるので、通電防止手段を形成する絶縁物の比誘電率も８０以上とするとよい。本明細書で「被処理液体の誘電率」とは、特に断り書きをしない限り、常温（対象液体を殺菌処理するときの通常の温度）での当該液体の比誘電率をいうものとする。後述の実験例では絶縁物の比誘電率１４０としている。

第３の手段は、第１の手段又は第２の手段を有し、かつ
上記一対の電極のうち、少なくとも陽極の電極面が液体流路中の被処理液体に露出している。

出願人の実験によれば、図３に示すように（Ａ）２つの電極８Ａ、８Ｂの表面を液体に露出させる場合と、（Ｂ）陰極（接地極）８Bのみを液体に露出させるとともに陽極（高圧極）８Aを絶縁で覆う場合と、（Ｃ）陽極８Aのみを液体に露出させるとともに陰極８Bを絶縁物で覆う場合と、（Ｄ）２つの電極８Ａ，８Ｂの表面を絶縁物で覆う場合とで、菌が生き残る率（生菌率）をそれぞれ対比実験した。図４に示すように、液体に直接電流を流した方が生菌率が低いのであるが、電流を流さない場合でも生菌率を少なくとも０．１〜０．６程度とすることができることが判った（○、△、×、□の意味については後の表１参照）。これについては後述する。

第１の手段に係る発明によれば、電極間に通電防止手段を設けたから、通電による温度上昇を防止し、被処理液体の変質や電極の損傷を防止できる。

第２の手段に係る発明によれば、通電防止手段の誘電率を被処理液体の誘電率と同等以上としたから、被処理液体の導電率が小さい場合には、被処理液体の導電率によらず電界強度の低下を防止できる。

第３の手段に係る発明によれば、一対の電極の一方を被処理液体に露出させたから、双方の電極を絶縁物で覆った場合に比べて殺菌性能が高まる。

図１は本発明のパルス電界殺菌装置の実施形態を示している。

同図中、Ｔは被処理水を収納した水槽であり、循環路Ｃを経由して被処理水を循環できるようにしている。循環路の一部にはポンプＰが設置している。

パルス電界殺菌装置２は、上記循環路Ｃに組み込まれた装置本体４と、この装置本体に接続された高圧パルス電源１４とで構成されている。

上記装置本体４は、図２に示す如く循環路Ｃの一部である液体流路６を有し、この液体流路６の内壁面６ａの対向箇所に、相互に対峙する平行な一対の電極８を設置している。電極８間の距離ｄは必要な電圧を得るために十分な程度に小さくするものとするが、極端に狭くすると、流体抵抗が過大となったり、電極間に異物が挟まるなどの不都合を生じうる。具体的には、０．５〜５０ｍm（より好適には１５〜３０ｍm）とするとよい。この電極間距離の条件は既述の放電殺菌の場合と大よそ同じである。流量に比較して電極間距離ｄを小さくするために、液体流路を電極間方向に比べて奥行きが長い矩形としたり、後述の環状流路とすることができる。なお、この図示例では、本発明のパルス電界殺菌装置の原理を説明するために装置の構成を抽象的に表現している。

本実施形態では、各電極８の電極面１０全体を覆う板状の通電防止手段１２を固定している。この通電防止手段は、絶縁物であるセラミック板で形成されている。セラミック板の厚さは１ｍｍ程度とすることが好適である。各通電防止手段１２は、電極表面のうち液体流路に臨む部分をそっくり覆って、液体流路から電極を完全に遮蔽している。もっとも後述の如く両電極面の一方の通電防止手段を省略することができる。

上記高圧パルス電源１４は、細菌類の半径に応じて上記数式１に従って所要の電位Ｅを実現するのに十分な大きさの電圧Ｖを与えるように設計する。図示はしていないが、高圧パルス電源に付随して、或いは高圧パルス電源とは別個として、電圧の目標値を制御する制御部を設け、細菌類の半径ａを入力すると、既述数式１及び数式２とから細菌類を殺菌するために十分な電界強度Ｅが得られるようにＶを決定するように構成するとよい。高圧パルスの性能は、放電殺菌の場合とおおよそ同じでよく、たとえば印加電圧が５〜１００ｋＶ（好ましくは２０〜５０ｋＶ）、周波数は３０Ｈｚ〜１ＭＨｚ（好ましくは５０Ｈｚ〜２ｋＨｚ）、パルス幅は５ｎｓ〜１ｍｓ（好ましくは１〜１００μＳ）である。高圧パルス電源は、正負反転する電圧を印加するものでもよいが、同じ方向に電圧を印加するものでも足りる。電界殺菌の原理からは所要の電位Ｅが所要の大きさであればよく、電位の向きは問題ではないからである。

上記構成によれば、循環路Ｃ内に被処理液体を循環させながら、上記一対の電極８にパルス電圧を印加すると、通電防止手段１２により電極間を電流が流れないようになっており、電圧だけが液体流路６内の細菌類に印加される。そして電圧の作用だけで細菌類の細胞膜が破損し、殺菌される。電流が流れないこの方式のメリットは、第１に、電極からの溶出がなく、電極耐久性が向上すること、第２に、電流が流れないために消費電力及び発熱が抑えられることである。

図３及び図４は、本発明の装置の殺菌性能の実験内容を示すものである。図３のうち（Ａ）は対比例として示す、電極対８Ａ、８Ｂを液相に露出した従来装置である。図３（Ｂ）〜（Ｄ）は本発明の装置の構成であり、（Ｂ）は陰極８Ａのみを絶縁物で覆って陽極８Ｂを液相に露出した構成例、（Ｃ）は陽極８Ｂのみを絶縁物で覆って陰極８Ａを液相に露出した構成例、（Ｄ）は両電極８Ａ、８Ｂを液相に露出した構成例である。高圧パルス電源は陰極側に接続されている。電圧をかける時間、すなわち殺菌処理時間は１０分間である。電極８の素材にはチタンを、通電防止手段１２の素材にはセラミックを使用した。電極を覆うセラミックの厚さは１ｍｍであり、かつセラミック板の比誘電率は１４０である。また通水巾（ｄ_０）は６ｍｍとした。この実験条件の下で液体流路内の電界強度を数式３から計算すると、次の表１の通りとなり、また実験により測定された生菌率の値は図４のようになった。通電防止手段を施さない場合（Ａ）の生菌率は２×１０⁻²である。これには及ばないが、通電防止手段を施した場合（Ｂ）〜（Ｄ）の生菌率は０．１〜０．６であり、この場合にも殺菌効果があることが確認された。また電極間に電流は流れず、被処理液体の温度上昇もなかった。

図４での（Ｂ）〜（Ｄ）の場合の生菌率は必ずしも満足のいくものではないが、生菌率の値自体は処理時間を長くしたり、或いは電界強度を強くすることで改善することができる。例えば（Ｃ）のケースでコンデンサ容量８ｎF，２０分間の処理で菌数が１桁以上減少するという殺菌性能が得られた。

またこの実験では電流を流さない電界殺菌の３つのケースでも、（Ｂ）での生菌率は０．１、（Ｃ）での生菌率は０．４、（Ｄ）での生菌率は０．６と値を大きく異にすることが判った。ここで（Ｂ）及び（Ｃ）の試験結果が（Ｄ）の試験結果よりも良好なのは電極間に挿入される絶縁体の量が少ないためであると思われる。しかし、（Ｂ）の試験結果に比べて（Ｃ）の試験結果が良好であるということは、試験をすることではじめて知り得た知見である。同じ厚さの絶縁板を投入するのであれば、少なくとも陽極から離して設置することが望ましいことが判った。
［実施例］
パルス電界殺菌装置の実施例を説明する。このパルス電界殺菌装置の装置本体４は、図７に示す如く第１の部材４Ａと、第２の部材４Ｂとで形成されている。

第１の部材４Ａは、架台１１２と、給電手段１１と、ベース体１０３と、陽極である高圧極８Ａとを含む。上記架台１１２は、底板１１２ａと頂板１１２ｂと有し、これら底板と頂板とを連結材１１２ｃで連結している。さらに頂板の上面からは棒状のサポート碍子１１０を起立し、この上に支持板１１４を架設している。上記給電手段１０９は、架台の頂板に液密に上下方向に貫設したブッシング端子である。このブッシング端子の上端には高圧電極端子１０８が、下端には高圧供給端子１１３がそれぞれ設けられている。上記ベース体１０３は、架台１１２の支持板の上から起立している。このベース体は、セラミックで形成することができる。上記高圧極８Ａは、ベース体の周面に金属線を螺旋状に巻いた線状電極としている。この高圧極は、ブッシング端子の高圧電極端部８に通電させている。

第２の部材４Ｂは、管路を兼ねた管体と、この管体の上端を液密に閉塞する蓋とを含む。上記管体の下半部は非導電性の大径部で、また管体の上半部は導電性の小径部で形成され、この上半部を陰極である接地極８Ｂとしている。接地極８Ｂを形成する管体は、下端部を大径とし、その大径管部内にサポート碍子１１０及び支持板を挿入させて、管の下端部を架台１１２の頂板上面に液密にかつ着脱自在に取り付けている。この大径管部の一側部に流入口１０７を開口し、また管体の上部に流出口１０２を開口している。この時、なお、流入口１０７を液体流路６に対して、接線方向に設けることで、殺菌殺藻対象液体が液体流路６を回転しながら流れるようにした。

接地極８Ｂを形成する管体上半部の内面には、通電防止手段１２であるセラミック筒を内装する。接地電極８Ｂは通電防止手段により液体流路内の液体から完全に遮蔽されるように形成する。

この実験例の装置は、細菌だけでなく藻類を処置する殺菌兼殺藻装置として特に好適である。

本発明の実施形態に係るパルス電界殺菌装置を適用した流路系の全体図である。 上記パルス電界装置の構成を簡略に示す図である。 同図（Ｂ）〜（Ｄ）は本発明のパルス電界殺菌装置の各種態様を示す図、同図（Ａ）は対比のために示す従来のパルス電界殺菌装置である。 図３の各装置を用いて殺菌実験を行った結果を示す図である。 本発明の殺菌原理を説明するための説明図（その１）である。 本発明の殺菌原理を説明するための説明図（その２）である。 本発明に係るパルス電界殺菌装置の装置本体の実施例を示す図である。 従来のパルス電界殺菌装置の作用説明図である。

符号の説明

２…パルス電界殺菌装置 ４…装置本体 ４Ａ…第１の部材 ４Ｂ…第２の部材
６…液体流路 ８…電極 ８Ａ…陽極（高圧極） ８Ｂ…陰極（接地極）
１０…電極面 １２…通電防止手段
１４…高圧パルス電源
１０２…流出口
１０３…ベース体 １０７…流入口 １０８…高圧電極端子
１０９…給電手段 １１０…サポート碍子
１１２…架台 １１２ａ…底板 １１２ｂ…頂板 １１２ｃ…連結材
１１３…高圧供給端子 １１４…支持板
Ｔ…水槽 Ｃ…循環路 Ｐ…ポンプ Ｂ…細菌類
ｄ…極間距離 ｄ_０…通水巾

Claims (3)

1. １対の電極を対向させた液体流路とこれら電極と接続したパルス電源とを有し、それら電極の間に液状食品や各種用水などの被処理液体が通過する際に、これら電極間にパルス高電圧を印加して、この被処理液体中の細菌・酵母・真菌・藻類などの細菌類を殺すように設けたパルス電界殺菌装置において、
   これら電極の極面間に、絶縁物からなる少なくとも一つの通電防止手段を固定することで、それら電極の間を絶縁して陽極から陰極へイオン電流が流れることを阻止することを特徴とする、パルス電界殺菌装置。
2. 被処理液体を水溶液や懸濁水などの水を主成分とする液体とし、かつ上記通電防止手段を形成する絶縁物の誘電率を、被処理液体の誘電率と同等以上としたことを特徴とする、請求項１記載のパルス電界殺菌装置。
3. 上記一対の電極のうち、少なくとも陽極の電極面が液体流路中の被処理液体に露出していることを特徴とする、請求項１又は請求項２記載のパルス電界殺菌装置。
   

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