JP2023071118A - 酸素ラジカル活性化水溶液生成装置および殺菌方法 - Google Patents

Abstract

【課題】酸素プラズマの照射により生成した酸素ラジカル活性化水溶液の殺菌効果を維持すること。【解決手段】酸素ラジカル活性化水溶液の生成装置は、チャンバー１１０と、保持部１２０と、ガス供給部１３０と、ガス排出部１４０と、プラスチックカバー１５０と、ラジカル照射部２００と、冷却器３００と、を有している。保持部１２０は、プラズマを照射する水溶液を保持するための容器であり、プラズマ照射後に生成する酸素ラジカル活性化水溶液を保持する容器である。ラジカル照射部２００は、酸素ラジカルを照射するためのものである。冷却器３００は、保持部１２０を冷却するものである。【選択図】図１

Description

本開示は、酸素ラジカル活性化水溶液生成装置および殺菌方法に関するものである。

プラズマ技術は、電気、化学、材料の各分野に応用されている。プラズマの内部では、電子やイオン等の荷電粒子の他に、原子や分子等の中性粒子や紫外線が発生する。これらプラズマの内部で発生する生成物のうち、不対電子を有する粒子（原子、分子、イオンを含む）のことをラジカルという。このような紫外線やラジカルには、殺菌効果があることが知られている。

特許文献１には、ベンゼン環とピロール環とピリジン環のうち少なくとも１つ以上を有する環式有機化合物を含有する水溶液に酸素プラズマを照射することで、大腸菌などを殺菌可能な殺菌水溶液に使用できる酸素ラジカル活性化水溶液を生成できることが記載されている。

特許文献２には、水道水などの水、純水、生理食塩水、水溶液、その他の種々の液体にプラズマを照射して生成し、ｐＨが４．８以下に調整されたプラズマ処理殺菌液を、１０℃以下に保持する殺菌処理方法が記載されている。

特開２０２０－３３２９４号公報 再公表２０１３－１６１３２７号公報

しかし、発明者らの検討によると、特許文献１の方法で作成した酸素ラジカル活性化水溶液は、短時間で殺菌効果が低減してしまうことがわかった。したがって、酸素プラズマの照射後一定時間保持してから使用する場合には殺菌効果を期待できないことがわかった。

また、さまざまな物の殺菌に用いるためには、ｐＨが中性に近い方が望ましいこともわかった。

発明者らは、特許文献１の方法で作成した酸素ラジカル活性化水溶液が、短時間で殺菌効果が低減してしまう原因について鋭意研究を重ねたところ、酸素ラジカル活性化水溶液の温度と殺菌効果に関係があることを突き止めた。本開示はこの知見を利用するものであり、ピロール環を有する環式有機化合物を含有する水溶液に酸素プラズマを照射して酸素ラジカル活性化水溶液を生成する場合に、殺菌効果を維持することを目的とする。

本開示は、ピロール環を有する環式有機化合物を含有する水溶液を１５℃以下の液体状態に保持する保持部と、保持部に保持された前記水溶液に酸素ラジカルを照射し、酸素ラジカル活性化水溶液を生成する酸素ラジカル照射装置と、を有することを特徴とする酸素ラジカル活性化水溶液生成装置である。

また本開示は、ピロール環を有する環式有機化合物を含有する水溶液を１５℃以下の液体状態に保持し、水溶液に酸素ラジカルを照射して酸素ラジカル活性化水溶液を生成し、酸素ラジカル活性化水溶液を１５℃以下に保持したままで、対象物を殺菌し、酸素ラジカル活性化水溶液を２０℃以上に加熱することで、対象物の殺菌を終了する、ことを特徴する殺菌方法である。

本開示によれば、酸素ラジカル活性化水溶液の殺菌効果を高め、かつその殺菌効果を長時間保持することができる。

殺菌装置の構成を示した図。 照射口２１０を示す斜視図。 ラジカル照射部２００の内部構造について示した図。 殺菌装置の変形例の構成を示した図。 水溶液の温度とコロニー数の関係を示したグラフ。 トリプトファンの濃度とコロニー数の関係を示したグラフ。 保存時間とコロニー数の関係を示したグラフ。 ベンゼン、ピロール、またはインドールを混合した水溶液での殺菌効果を示したグラフ。

以下、本開示の具体的な実施形態について図を参照に説明する。

（第１実施形態）
第１実施形態は、対象物の殺菌が可能な殺菌水溶液として使用可能な酸素ラジカル活性化水溶液の生成装置である。酸素ラジカル活性化水溶液は、ピロール環を有する環式有機化合物を含有する水溶液に酸素ラジカルを照射することで生成する。そして、酸素ラジカル照射時から殺菌対象に使用するまでの間、酸素ラジカル活性化水溶液の温度を１５℃以下に保持する。

ピロール環を有する環状有機化合物は、たとえば、トリプトファン、インドール、ピロール、などである。水溶液は２種類以上の環状有機化合物を含有していてもよい。

酸素ラジカルは、不対電子を備える中性粒子である。厳密には、三重項酸素原子は不対電子を有しないが、本明細書においては、酸素ラジカルは三重項酸素原子と一重項酸素原子とを含むものとする。

酸素ラジカル活性化水溶液のｐＨは、たとえば５～８であり、６～８とすることもできる。つまり、中性または弱酸性である。そのため、農作物の殺菌に特に有効である。たとえば、水耕栽培中の農作物に対して第１実施形態の酸素ラジカル活性化水溶液を用いれば、水のｐＨを変化させることがないので、農作物の育成等に影響を与えることなく農作物の殺菌を行うことができる。また、トリプトファンは必須アミノ酸の一つであり、安全面でも安心である。

ピロール環を有する環式有機化合物を含有する水溶液に酸素ラジカルを照射することで殺菌作用を有する酸素ラジカル活性化水溶液が生成するメカニズムは不明であるが、酸素ラジカルが何らかの化学反応を誘起して殺菌が可能な活性物質が生成されていると考えられる。

酸素ラジカル照射時から殺菌対象に使用するまでの間、酸素ラジカル活性化水溶液の温度を１５℃以下に保持する理由は、酸素ラジカル活性化水溶液が１５℃よりも高いと殺菌効果が低減してしまうためである。これは、酸素ラジカルの照射により生成された活性物質が分解してしまうためと考えられる。１５℃以下であれば殺菌効果を保持することができるので、酸素ラジカル活性化水溶液を作成後保管して置くことが可能になる。

また、酸素ラジカルの照射時は、１５℃以下の液体状態であればよいが、より低温であることが望ましい。酸素ラジカルの照射後は、酸素ラジカル活性化水溶液を凝固点以下の温度に冷却して凍らせてもよく、これにより酸素ラジカル活性化水溶液の保管期間を長くすることができる。この場合、殺菌に使用する際は、酸素ラジカル活性化水溶液を解凍すればよい。

酸素ラジカルの照射により水溶液の温度は上昇する。そのため、酸素ラジカルの照射中は水溶液の温度を測定して水溶液の温度が１５℃を越えないようにフィードバック制御することが好ましい。

酸素ラジカル活性化水溶液の温度は、１０℃以下に保持することがより好ましい。殺菌作用の低減をより抑制することができる。温度の下限は水溶液の凝固点より高ければ任意である。

酸素ラジカル活性化水溶液の殺菌効果は、その温度を２０℃以上とすると消失する。そこで、殺菌を終了する場合、酸素ラジカル活性化水溶液の温度を２０℃以上することで終了してもよい。温度制御によって精度よく殺菌の終了時間を制御することができる。

水溶液における環式有機化合物の濃度は、１０ｍＭ（Ｍ＝ｍｏｌ／Ｌ）以上とすることが好ましい。殺菌効果をより向上させることができる。

以上、第１実施形態の殺菌方法では、酸素ラジカル活性化水溶液の殺菌効果を保持することができる。そのため、酸素ラジカルの照射によって生成した酸素ラジカル活性化水溶液を生成した直後に殺菌に使用する必要はなく、一旦生成した酸素ラジカル活性化水溶液を保管しておき、必要に応じて取り出して殺菌に使用することができる。

次に、第１実施形態の酸素ラジカル活性化水溶液の生成装置の構成を説明する。

図１は、酸素ラジカル活性化水溶液の生成装置の構成を示した図である。図１のように、殺菌装置は、チャンバー１１０と、保持部１２０と、ガス供給部１３０と、ガス排出部１４０と、プラスチックカバー１５０と、ラジカル照射部２００と、冷却器３００と、を有している。さらに、酸素ラジカル活性化水溶液を殺菌対象に照射する噴射器を有していてもよい。

チャンバー１１０は、ラジカル照射部２００を収容するとともに、大気から遮断したガスを収容するためのものである。

保持部１２０は、プラズマを照射する水溶液を保持するための容器であり、プラズマ照射後に生成する酸素ラジカル活性化水溶液を保持する容器である。水溶液は、ピロール環を有する環式有機化合物を含有するものである。また、保持部１２０は、プラズマの照射方向に対して垂直な方向にスライドできるようになっている。そのため、プラズマ生成物を水溶液に照射する際に、水溶液に均等にプラズマ生成物を照射することができる。

ガス供給部１３０は、チャンバー１１０の内部にアルゴンなどの不活性ガスを供給するためのものである。ガス排出部１４０は、チャンバー１１０の内部からガスを排出するためのものである。プラスチックカバー１５０は、ラジカルを照射している間に、プラスチックカバー１５０の内部にチャンバー１１０の雰囲気が入るのを防止するためのものである。保持部１２０は、プラスチックカバー１５０内に配置されている。そのため、外部の大気の影響を排除した状態で、ラジカルを好適に水溶液に照射できる。

ラジカル照射部２００は、プラズマ発生領域に発生するプラズマ生成物のうちラジカルを照射するためのものである。ここで、プラズマ生成物とは、プラズマ発生領域に発生する化学種等のことをいうものとする。つまり、プラズマ生成物として、イオン、電子、ラジカル、光等が挙げられる。ラジカル照射部２００は、これらのプラズマ生成物のうち酸素ラジカルを照射する。具体的には、ラジカル照射部２００は、三重項酸素原子と一重項酸素分子とを照射する。また、ラジカル照射部２００は、オゾンを照射することもある。なお、後述するように、ラジカル照射部２００は、紫外線等の光を照射することはない。また、ラジカル照射部２００は、電子やイオンを照射することもない。

図１に示すように、ラジカル照射部２００は、照射口２１０と、プラズマガス供給部２２０と、電力供給部２３０と、ロボットアーム２４０と、を有している。照射口２１０は、ラジカルを水溶液に照射するためのものである。プラズマガス供給部２２０は、ラジカル照射部２００にプラズマガスを供給するためのものである。プラズマガスは、酸素と不活性ガス（たとえばアルゴン）の混合ガスである。電力供給部２３０は、ラジカル照射部２００の各部に電力を供給するためのものである。ロボットアーム２４０は、ラジカル照射部２００を移動させるためのものである。

図２は、照射口２１０を示す斜視図である。照射口２１０は、２つのスリット２１１を有している。スリット２１１は、長さ１６ｍｍ、幅０．５ｍｍで開口している開口部である。スリット２１１から、ラジカルが照射される。照射口２１０は、スリット２１１の幅方向に移動することができるようになっている。水溶液にまんべんなくラジカルを照射するためである。

次に、ラジカル照射部２００の内部構造について図３を参照に説明する。ラジカル照射部２００は、放電部２５０と、中間構造部２６０と、ノズル部２７０と、をさらに有している。

放電部２５０は、その内部にプラズマ発生領域を有している。そのため放電部２５０は、対向する電極対を有している。そして、その電極対の間の空間でプラズマが発生する。そのプラズマは、イオン、電子、ラジカル、紫外線等を含んでいる。

中間構造部２６０は、上記のプラズマから、イオンと、電子と、紫外線と、を除去する構造体である。そのため、プラズマから発生したもののうち、ラジカルを含む中性粒子がノズル部２７０に供給される。

ノズル部２７０は、ラジカルを含む中性粒子を照射口２１０のスリット２１１に送出するためのものである。つまり、本実施形態のラジカル照射部２００は、水溶液に、プラズマ生成物のうち中性粒子を吹き付けるものである。この中性粒子には、ラジカルとアルゴン原子とが含まれている。

冷却器３００は、保持部１２０を冷却するものである。保持部１２０を冷却できるのであれば、冷却器３００はチャンバー１１０内に配置されていても外部に配置されていてもよい。保持部１２０に保持された水溶液は、冷却器３００によって１５℃以下の液体の状態で保持される。水溶液に酸素プラズマを照射して酸素ラジカル活性化水溶液が生成された後は、１５℃以下の状態であれば液体の状態でもよいし、凍らせて固体としてもよい。

図４のように、冷却器３００に加えて、保持部１２０を加熱する加熱器５００を設けてもよい。加熱器５００によって保持部１２０に保持された酸素ラジカル活性化水溶液を２０℃以上とすることで、殺菌効果を消失させることができる。

以上、第１実施形態の酸素ラジカル活性化水溶液の生成装置では、酸素ラジカル活性化水溶液を生成した直後に殺菌に使用する必要はなく、任意のタイミングで殺菌に使用することができる。

（実験１）
減菌シャーレにトリプトファンを混合した水溶液（３ｍＬ）を入れ、さらにその減菌シャーレを銅シャーレに保持した。そして、銅シャーレをペルチェ素子上に配置した。また、熱電対温度センサを水溶液とペルチェ素子に接触させた。ペルチェ素子と熱電対温度センサは温度コントローラーに接続されており、温度コントローラーによって水溶液の温度が所定の温度となるように制御した。

次に、第１実施形態のプラズマ照射部２００を用いて水溶液に酸素プラズマを１分間照射した。総ガス流量は５ｓｌｍ、Ａｒガス流量は４．９７ｓｌｍ、酸素の体積割合は０．６％、三重項酸素原子の密度は２×１０^１５／ｃｍ^３、照射距離は１０ｍｍとした。

次に、減菌シャーレから水溶液を０．３ｍＬ取り出し、大腸菌懸濁液（溶媒はリン酸緩衝液）に加えた。大腸菌懸濁液の大腸菌の密度は１×１０^８／ｍＬである。水溶液のトリプトファンの濃度は１ｍＭとなるようにした。その後、大腸菌懸濁液から０．３ｍＬ取り出して減菌シャーレに戻し、１分間静置した。

次に、減菌シャーレから水溶液を取り出し、培地シャーレに１００μＬ滴下した。そして、３７℃、２４時間培養した後、コロニーを測定した。

図５は、水溶液の温度（プラズマ照射前の温度）とコロニー数の関係を示したグラフである。水溶液の温度は－５～２０℃まで５℃刻みとした。比較のため、酸素プラズマを照射せず、水溶液の温度を－５℃とした場合も同様にしてコロニー数を測定した。なお、凝固点降下によって水溶液は－５℃においても液体の状態である。

図５のように、温度が－５～１０℃では、コロニー数は検出限界以下であった。このことから、水溶液の温度を－５～１０℃に保持することで、強い殺菌効果を保持できることがわかった。一方、酸素プラズマを照射しない場合はコロニー数がおよそ１×１０^７ＣＦＵ／ｍＬであった。酸素プラズマを照射しないと殺菌成分が生じないことが確認できた。また、１５℃ではコロニー数がおよそ１×１０^５ＣＦＵ／ｍＬであり、殺菌効果が低減していることがわかった。また、２０℃ではコロニー数がおよそ４×１０^６ＣＦＵ／ｍＬであり、酸素プラズマを照射しない場合とそれほど変わらなかった。つまり、２０℃では殺菌効果がほぼ消滅していた。以上の結果、殺菌効果を保持するためには水溶液の温度を１５℃以下とする必要があり、殺菌効果を十分とするために１０℃以下であることが好ましいとわかった。

（実験２）
水溶液の温度を０℃として、水溶液のトリプトファンの濃度を変化させて実験１と同様にしてコロニー数を測定した。

図６は、トリプトファンの濃度とコロニー数の関係を示したグラフである。図６のように、トリプトファンの濃度が２．５ｍＭを超えるとコロニー数は大きく減少し、１０ｍＭ以上ではコロニー数は検出限界以下であった。このことから、殺菌効果を保持するためにはトリプトファン濃度を５ｍＭ以上、より好ましくは１０ｍＭ以上とするのがよいとわかった。

（実験３）
トリプトファンを混合した水溶液に酸素プラズマを３分間照射した。トリプトファンの濃度は５０ｍＭ、酸素プラズマ照射前の水溶液の温度は０℃とした。その後、水溶液を容器に回収して液体窒素にて凍結させ、－８０℃で所定時間保存した。その後、容器に大腸菌懸濁液を加え、容器を１５℃の水に浸けて水溶液を解凍しつつ大腸菌と反応させた。そして、実験１と同様にコロニー数を測定した。

図７は、保存時間とコロニー数の関係を示したグラフである。図７のように、保存時間が１５分ではコロニー数がおよそ１×１０^５ＣＦＵ／ｍＬ、２週間ではおよそ１×１０^４ＣＦＵ／ｍＬであった。これは、酸素プラズマを照射しない場合のコロニー数１×１０^７ＣＦＵ／ｍＬよりも低い数であった。この結果、酸素プラズマ照射後に水溶液を冷凍保存することで殺菌効果を長時間維持できることがわかった。

（実験４）
トリプトファンに替えて、ベンゼン、ピロール、またはインドールを混合した水溶液を用意し、大腸菌懸濁液を加えた。そして、水溶液に酸素プラズマを５分間照射した。そして、実験１と同様にしてコロニー数を測定した。また、比較のため酸素プラズマを照射しない場合のコロニー数も測定した。

図８のように、ベンゼンでは酸素プラズマを照射しても殺菌効果はなかった。一方、ピロールやインドールでは酸素プラズマ照射によってコロニー数が検出限界以下まで低下しており、殺菌効果を有していることがわかった。この結果、ピロール環が殺菌効果に大きく関わっていることがわかった。

本開示は、各種の殺菌に用いることができる。

１１０：チャンバー
１２０：保持部
１３０：ガス供給部
１４０：ガス排出部
２００：ラジカル照射部
２１０：照射口
２１１：スリット
２５０：放電部
２６０：中間構造部
２７０：ノズル部
３００：冷却器
５００：加熱器

Claims (5)

1. ピロール環を有する環式有機化合物を含有する水溶液を１５℃以下の液体状態に保持する保持部と、
   前記保持部に保持された前記水溶液に酸素ラジカルを照射し、酸素ラジカル活性化水溶液を生成する酸素ラジカル照射装置と、
   を有することを特徴とする酸素ラジカル活性化水溶液生成装置。
2. 前記環式有機化合物は、トリプトファン、ピロールまたはインドールである、ことを特徴とする請求項１に記載の酸素ラジカル活性化水溶液生成装置。
3. 前記酸素ラジカル活性化水溶液は、ｐＨが５以上８以下である、ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の酸素ラジカル活性化水溶液生成装置。
4. 前記水溶液における前記環式有機化合物の濃度は、１０ｍＭ以上である、ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の酸素ラジカル活性化水溶液生成装置。
5. ピロール環を有する環式有機化合物を含有する水溶液を１５℃以下の液体状態に保持し、前記水溶液に酸素ラジカルを照射して酸素ラジカル活性化水溶液を生成し、
   前記酸素ラジカル活性化水溶液を１５℃以下に保持したままで、対象物を殺菌し、
   前記酸素ラジカル活性化水溶液を２０℃以上に加熱することで、対象物の殺菌を終了する、
   ことを特徴する殺菌方法。
   

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