JP2023530488A - 超音波を使用した、空中浮遊病原体、ならびに、穀物および乾燥食品上の微生物の破壊 - Google Patents

Abstract

穀物が例である乾燥食品の低周波および高周波振動の組み合わせを使用する音響装置および方法であって、上記穀物の表面上、または表面直下に存在している微生物を破壊するための、個々の穀物粒子同士の多数の衝突が存在しているような、音響装置および方法について説明する。本発明の実施形態は、食品のバルクおよび連続処理を可能にする。そうした衝突が食品中のいかなる化学変化ももたらさず、その味に対するいかなる悪影響も与えるものでないことが期待される。上記装置の実施形態は、空中浮遊微生物の破壊にも適用可能である。

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０２０年６月１７日に出願された、「Ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｏｆ Ａｉｒｂｏｒｎｅ Ｐａｔｈｏｇｅｎｓ，Ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓ Ｏｎ Ｇｒａｉｎｓ Ａｎｄ Ｄｒｉｅｄ Ｆｏｏｄ Ｕｓｉｎｇ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ」のための、米国仮特許出願番号６３／０４０，２５９の利益を主張し、その特許出願の内容全体がこれにより、具体的に、それが開示し、および教示するものすべてについて本明細書中に参照により組み込まれる。

複数の微生物、特に複数の耐熱性細菌胞子は、食品加工に広く使用されているが、穀物、豆類（エンドウ豆、豆、およびレンズ豆）、香辛料、ならびに乾燥野菜を汚染し、腐敗をもたらすことが多い。これらの乾燥食品成分を汚染する複数の細菌胞子は、食品加工工場におけるスチーミングおよび沸騰などの加熱工程により完全に不活性化されることはできない。よって、食品加工用の複数の乾燥成分は、食品腐敗、および食品由来疾病を防止するために汚染除去される必要がある。酸化エチレンガス（ＥＯＧ）による燻蒸、イオン化放射線による照射、および過熱水蒸気による処理を含む汚染除去手法が、上記複数の乾燥食品成分の一部に適用されている。

しかし、これらの手法には、欠点がない訳でない。ＥＯＧ燻蒸は、残留物の発がん性作用が理由で特定の国々において禁止されている。ガンマ線または電子ビームによる照射は、香辛料および乾燥野菜を汚染する細菌胞子を、最小限の品質変化を伴って効果的に不活性化することが可能であり、および、香辛料への照射は、２０カ国よりも多くの国々において商業ベースで実施されている。しかし、ジャガイモ以外の食品への照射はいくつかの国々において承認されていない。汚染除去のための高線量での照射は、米および小麦などの穀物には適用可能でない。なぜなら、イオン化放射線が、脂質およびデンプン分子などの成分の酸化および劣化をもたらし、それが、麺および餅などの穀物製品の香りおよび質感の品質劣化をもたらすからである。照射は、食品中の化学変化ももたらし、非照射食品に存在していることが知られているものでない物質を生成する。これらの物質は「放射線分解生成物」と呼ばれている。しかし、いかなる処理も、食品中の化学変化をもたらす。たとえば、熱処理または調理は、「熱分解生成物」として知られている化学物質を生成する。これは、調理により生成されるものを反映していることが分かっている。

過熱水蒸気による処理は、日本において乾燥成分を汚染除去するのに広く使用されている唯一の方法である。しかし、過熱水蒸気は、乾燥野菜およびハーブの香りおよび色の変化をもたらすことがある。

ＣＯＶＩＤ－１９にかかわる最近のパンデミックにより、この致命的なウイルスの出現前よりも、空中浮遊病原体を除去することについて重要視されている。今では十分に立証されているように、液滴を含んだウイルスの飛散を介したヒト－ヒト感染は、最も一般的な感染経路である。

本発明の目的によれば、本明細書中で実施され、広く説明されているように、本明細書の、表面を有する容器の中に配置された複数の穀物または乾燥食品の表面上に存在している微生物の破壊のための方法の実施形態は、上記容器の中に配置された上記複数の穀物または乾燥食品を空中浮遊状態にするのに効果的な、第１の振幅を有する第１の周期的振動励起を上記容器の上記表面に対して行う工程と、上記空中浮遊状態にされた複数の穀物または乾燥食品に、それらの間の衝突を増加させるのに効果的な、第２の振幅を有する第２の周期的振動励起を上記容器の上記表面に対して行う工程とを含み、それにより、上記微生物は、空中浮遊にされた上記穀物または乾燥食品の衝突により破壊される。

本発明の別の態様において、その目的によれば、本明細書の、複数の穀物および乾燥食品の表面上に存在している微生物の破壊のための方法の実施形態は、移動コンベヤベルトの表面上に複数の穀物または乾燥食品を堆積させる工程と、上記コンベヤベルトの表面上に上記複数の穀物または乾燥食品の流動床を形成するのに効果的な、第１の振幅を有する第１の周期的振動励起を上記コンベヤベルトに対して行う工程と、上記複数の穀物または乾燥食品に、それらの間の衝突を増加させるのに効果的な、第２の振幅を有する第２の周期的振動励起を流動化させられた上記複数の穀物または乾燥食品に対して行う工程を含み、それにより、上記微生物は、上記穀物または乾燥食品の衝突により破壊される。

本発明のなお別の態様において、その目的によれば、本明細書の、複数の空中浮遊粒子に付着している複数の病原体の破壊のための方法の実施形態は、選択された方向に空気を流す工程と、第１の波長を有する第１の周期的な音響波を第１の空気流の体積内に発生させる工程と、上記第１の周期的な音響波を上記第１の空気流の体積内で、第１の選ばれた間隔を有する平行な節平面の第１の定在波パターンが生成されるように反射させ、それにより、複数の空中浮遊粒子であって、それらに付着している複数の病原体を有する複数の空中浮遊粒子の複数のクラスタが生成され、上記複数のクラスタが、流れている空気中を移動している工程と、第２の波長を有する第２の周期的な音響波を第２の空気流の体積内に発生させる工程と、上記第２の周期的な音響波を上記第１の空気流の体積よりも下流で、上記第１の選ばれた間隔よりも大きい第２の選ばれた間隔を有する平行な節平面の第２の定在波パターンが生成されるように反射させ、それにより、上記複数の空中浮遊粒子であって、それらに付着している複数の病原体を有する、上記複数の空中浮遊粒子の上記複数のクラスタ間の多数の衝突を、上記複数の病原体が上記複数のクラスタの衝突により破壊されるように、発生させる工程を備える。

本発明のなお別の態様において、その目的によれば、本明細書の、複数の穀物および乾燥食品の表面上に存在している微生物の破壊のための装置の実施形態は、複数の穀物または乾燥食品が堆積されるトラフ状搬送面と、各アイドラが軸を有する少なくとも一組の３ローラのトラフアイドラにより支持された下面とを有するコンベヤベルトであって、各アイドラが軸と、少なくとも１つのヘッドプーリと、少なくとも１つのテールプーリとを有し、少なくとも１つの前記ヘッドプーリには、前記コンベヤベルトが移動されるように動力が供給される、コンベヤベルトと、上記コンベヤベルトの表面の上方に上記複数の穀物または乾燥食品の流動床を形成するのに効果的な、第１の振幅を有する第１の周期的振動励起を上記少なくとも一組の３ローラのトラフアイドラに対して行うための第１の振動源と、上記複数の穀物または乾燥食品に、それらの間の衝突を増加させるのに効果的な、流動化させられた上記複数の穀物または乾燥食品を振動させるための、第２の振幅を有する第２の周期的振動励起源とを備え、それにより、上記微生物が、上記穀物または乾燥食品の衝突により破壊される。

本発明の利益および利点は、限定されるものではないが、音を使用してより大きい粒子同士の数多くの衝突を引き起こし、より大きい粒子に付着しているウイルスなどの微生物の機械的に脆弱な外膜を利用することにより、微生物を破壊するための装置および方法を提供することを含む。

本明細書に組み入れられ、および本明細書の一部を形成する添付図面は、本発明の実施形態を示しており、ならびに、説明とともに、本発明の原理を説明するのに役立つ。

図１は、表面微生物の破壊のための、穀物のバルク処理のための装置の実施形態の模式的な側面斜視図である。穀物を保持する容器内に振動を誘起するのに効果的な２つの超音波周波数が使用される。 図２は、原理証明における、図１中の装置の使用の実施形態について説明する。選択された期間中の、選ばれた周波数での、感染したサンプルへの超音波照射後、穀物がすすがれ、細菌が培養されて数えられ、その結果が、コントロールセットとしての、超音波照射されていない別の穀物サンプルと比較される。 図３Ａは、コンベヤシステムの実施形態の模式的な断面図である。このコンベヤシステムは、表面微生物の破壊のための、穀物の連続処理のためのコンベヤシステムである。穀物が１つの位置から別の位置へベルトにより運ばれる際に、ベルトが、穀物を収容するのに好適な複数組のローラ上に乗りながら、開いた凹形状を維持するように、複数のローラがベルトの下に配置される。図３Ｂは、穀物または任意の他の種類の供給材料の流動床を生成するための２つのタイプの偏心ローラの模式的な断面図である。ベルトを振動させ、穀物が、上記床の上に浮遊している状態にし、高出力およびより高い周波数の音響源が複数の浮遊穀物同士を衝突させるためにベルトの上方に配置されることにより、流動床が生成される。 図４は、円筒形ローラがベルトに振動を与えるものでない別の実施形態の模式的な断面図である。音響変換器を使用してコンベヤベルトに外部振動を与えるための別の実施形態である。 図５は、空中浮遊病原体の破壊のための装置の模式的な側面図である。ウイルスが付着した空気中の複数の小さい粒子を、小さい深さを有する矩形の第１の音響チャンバ内で、高周波（約６０ｋＨｚ～約１００ｋＨｚ間の範囲内）を使用して凝集させる一方で、第１の矩形の音響チャンバよりも大きい深さを有する第２の矩形の音響チャンバを、凝集された粒子を衝突させるために低周波（約２０Ｈｚ～約２００Ｈｚ間の範囲内）で振動させる。

Ａ． 乾燥食用穀物中の微生物のバルク破壊

乾燥食品成分を汚染する微生物の大多数は食品表面上に存在しているので、内部が、汚染除去のために熱、ガス、または放射線にさらす必要がないことが一般に認識されている。振動表面を使用して、汚染除去されるべき複数層の穀物を、それが、互いに連続して衝突しながら効果的に、空気中に浮遊する流動床を形成するように振動させる（流動床は、任意の量の固体粒子状物質を適切な条件下に配置して固体／流体混合物を流体としてふるまわせる際に生じる物理現象である）。そうした衝突は、食品中に化学変化を生じさせず、したがって、その味に対する悪影響を与えるものではない。上方からの単一の振動源が、そうした衝突状態を作り出す上であまり効果的でないことが確認された。衝突の効果は、清浄な穀物と混ぜられた染色された穀物を使用することにより、見極められた。穀物中の着色の広がりの程度は、衝突プロセスの効果、およびプロセスの範囲の迅速な可視化であった。高周波（６０ｋＨｚ～８０ｋＨｚ間）では、上部の穀物素材が下部の穀物を遮蔽した。このことは、穀物に下方から超音波が照射された場合にも起こっている。６ｋＨｚ～１５ｋＨｚ間の周波数範囲では、穀物床は、下方から超音波照射された場合にのみ、流動化させられる（空中に浮せられる）場合があるが、循環を示さなかった。約２０Ｈｚ～約８０Ｈｚ間の最低周波数範囲では、固定されたパターン循環が穀物中に存在したが、穀物の動きがほとんどないか、または全くない孤立した範囲があった。減菌効果は、衝突の回数の関数であることが予想された。したがって、低周波は、実用的な応用には、許容できないほど遅いと考えられた。これらの懸念に対処するために、デュアル掃引周波数システムが使用された。

効果的であることが判明したシステムは、低周波振とう機／循環プラットフォーム、およびより高い周波数の穀物衝突セクションを採用した。任意の振動源が使用される場合があり、それは、穀物サンプル中の穀物を循環させるために採用される低周波オーディオスピーカに限定されるものではない。オーディオスピーカの方形波電気励起は、励起が生じない領域をなくすのに役立つ、より高い高調波を発生させたことで、効果的であることが分かった。さらに、穀物の振動または循環における固定されたパターンを回避するために、方形波周波数を、典型的には２秒の周期で、および、２０％～５０％（以下の実施例では５０％が使用された）のデューティサイクルで、様々な速度で直線的に約２０Ｈｚ～約１００Ｈｚ間で変化さた。この周波数範囲は、使用された穀物について効果的であったが、他の穀物については変化させ得る。中間周波数（約６ｋＨｚ～約１０ｋＨｚ間）の圧電変換器は、軽量プラスチック製穀物容器の真下に取り付けられ、配置された。穀物の温度は、挿入された熱電対を使用して測定された。

非侵襲的なバッチ処理の場合、材料が、選ばれた容積内部に、処理の持続時間中、留まるように、穀物がチャンバ内部に保持され得る。前述のように、振動周波数は１０ｋＨｚ程度であり得る。周波数変調または他の手段が、穀物中に定在波パターンが生成されないように採用され得る。なぜなら、節の領域内の穀物は多くの衝突を受けないからである。しかし、可変または固定周波数である任意の周期的な波形が、様々な効率で採用され得る。さらに、穀物は、穀物衝突が減少しないように、微生物破壊プロセス中に空中浮遊状態に留まらなければならない。システムの温度は制御される必要はない。なぜなら、振動および衝突により発生したいかなる熱も、微生物破壊のプロセスを促進するからである。チャンバ内部の温度が熱電対を使用して測定されており、穀物処理中の上昇が４℃を超えないことが分かった。しかし、温度上昇は励起の持続時間に依存する。

穀物が数百万回の衝突を受けた場合、ある穀物の別の穀物に対する物理的衝撃により、穀物の表面上の微生物を破壊する可能性が高い。さらに、鋭利な縁を有する穀物の場合、破壊のプロセスが促進される。

次に、本発明の複数の本実施形態への参照が詳細に行われ、それらの実施例が添付図面中に示される。複数の図中、同様の構造は同一の参照文字を使用して識別される。なお、複数の図は本発明の特定の実施形態について説明する目的で提示されており、および、本発明をそれらに限定することが意図されるものでない。次に図１を参照すると、示されているのは、表面微生物の破壊のための、複数の穀物１２の非侵襲的なバルク処理のための装置１０の実施形態の模式的な断面図である。複数の穀物が、蓋１６と、振動面２０上に載置されている底部１８とを有する軽量プラスチック製容器またはチャンバ１４内に配置された。振動面２０は、それ自身が変換器であってもよいし、または、周期波形発生器２４から選ばれた信号に応じて変換器２２により駆動されてもよい。その信号は、選択された電圧にアンプ２６により増幅される。、その変換器は、一旦空中浮遊状態にされた複数の穀物１２を振とうするために使用される。変換器２２は、定格１００Ｗの中間周波（約６ｋＨｚおよび１０ｋＨｚ間）の圧電ディスク変換器であった。穀物の温度は、挿入された熱電対を使用して測定された。数十ｋＨｚたとえば１０ｋＨｚの周波数は、複数の穀物同士の数多くの衝突を引き起こすことが分かっている。より小さい体積および重量を有する穀物の場合、より高い周波数（最大１００ｋＨｚ）がより効果的である。

振動面２８は、複数の穀物１２を効果的に空中浮遊状態になるように循環させ、または撹拌するために使用される。振動面２８は、それ自身が変換器であり、または、選択された電圧にアンプ３４により増幅された、周期波形発生器３２からの選ばれた信号に応じて、変換器３０により駆動されてもよい。表面２０は、剛性構造３６上に載っている。剛性構造３６は、表面２８上に載っている、プラスチックまたは金属で構成された、例として円筒または円錐形状を備え得る。前述のように、数十Ｈｚの周波数は、容器１４内の複数の穀物１２中に、流動床の状態を発生させることが分かっている。それにより、複数の穀物は容器１４の底部１８から繰り返し放出され、効果的に空中浮遊状態になると同時に、変換器２２および３０からの振動の組み合わせの影響下で互いに連続して衝突する。周期波形発生器３２からの信号は、周波数が掃引され得る。本装置では、振動面２８は、約２ｍｍ～５ｍｍ間の変位を発生させる定格３０Ｗの中距離オーディオスピーカ（ツイータ）を備え、穀物サンプル中の穀物を循環させるものであったが、本発明は、使用されたオーディオスピーカに限定されるものではない。方形波電気励起は、励起が生じなかった複数の穀物中の固定された定在波の振動または循環パターンをなくすのに効果的であることが分かった。なぜなら、それが、より高い高調波を発生させたからである。さらに、穀物の振動または循環における固定されたパターンを回避するために、方形波周波数を、２秒である典型的な周期で、および、５０％のデューティサイクルで、様々な速度で直線的に約２０Ｈｚ～約１００Ｈｚ間で変化させた。

アンプ２６および３４（パイル（Ｐｙｌｅ）社によるＰｒｏ ＰＴ－２０００ユニット）は、８０ｋＨｚの帯域幅を有しており、定格が最大３５０ワットである。３４９７０Ａ用２０チャネルマルチプレクサ、およびタイプＴ熱電対（図１に示していない）を有するアジレント（Ａｇｉｌｅｎｔ）３４９７０Ａデータ収集スイッチユニットが、温度測定に使用された。

図２は、原理の証明における、図１中の装置の使用の実施形態について説明する。工程３８では、穀物は、処理容器またはチャンバ１４内への配置４０の前に、既知量の微生物、この場合、細菌により、汚染される。選択された期間中の、選ばれた周波数での超音波照射４２の後、穀物はすすがれ（４４）、細菌は培養され（４６）、選ばれた期間中、培養された後、数えられ（４８）、および、その結果が、超音波照射されていない別の穀物サンプル、すなわちコントロールセットと比較される（５０）。以下の実施例は、本発明のバルク方法の実施形態を示す。

実施例１
容器１２の底部１８上の４ｇの小麦穀粒により、厚さ約１／４インチの層が形成された。５～１０層の厚さが効果的に機能することが予想される。上記穀粒は次いで、サルモネラコレラスイス（１４０２８、ソース：ＢＤダイアグノスティックシステムズ（ＢＤ Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ Ｓｙｓｔｅｍｓ）社 商品名：穀物の汚染に関する伊藤忠（ＩＴＯＣＨＵ）手順による、ＢＤ ＢＢＬ（商標） ＱｕａｌｉＳｗａｂ（商標）品質管理生物）により、人工的に汚染された。同一のサンプルが、比較のための基準サンプルとして汚染された。使用された振動周波数、振幅、ＦＭ変調等は、最適化されなかったが、穀物に対する穀物の複数の衝撃が明らかに生じた。１つのサンプルは次いで、１０分間、図２中に表された振動汚染方法にかけられた。対照サンプルには超音波照射されなかった。超音波照射に続いて、いずれのサンプルも、蒸留水によりすすがれ、および培養された。各テストは３回繰り返され、報告された数値は、単位がＣＦＵ（コロニー形成単位）である。第１の列は対照サンプルからの数値を示し、および第２の列はバルク穀物超音波照射の結果を示す。

加えられた低周波振動が、２ｍｍ～５ｍｍ間の変位を有する、２秒にわたる、２８Ｈｚ～７２Ｈｚ間の線形掃引された方形波であった。一方、より高い周波数の振動は、２秒にわたる、６ｋＨｚ～９ｋＨｚ間の１５Ｖピークツーピークの線形掃引された方形波であったものであり、以下の結果をもたらした。

実施例２
サルモネラ菌の第２の培養物が調製され、第２のバッチの穀物が別個に感染された。

加えられた低周波振動が、２ｍｍ～５ｍｍ間の変位を有する、２秒にわたる、３７Ｈｚ～５８Ｈｚ間の線形掃引された方形波であった。一方、より高い周波数の振動は、２秒にわたる、６ｋＨｚ～９ｋＨｚ間の１５Ｖピークトゥピークの線形掃引された方形波であったものであり、以下の結果をもたらした。

Ｂ. 乾燥食用穀物中の微生物の連続破壊

上述したように、穀物中のバルク病原体破壊は、２つのプロセス、すなわち、（１）低周波で上記表面を振動させることにより、表面の上に穀物の流動床を形成する工程と、（２）次いで、個々の穀物が、隣接する穀物と衝突し得るように、はるかに高い周波数で穀物を振動させる工程との組み合わせである。かなり大きい量の穀物の連続処理の場合、同様の手法が、トラフ状のコンベヤベルト上で搬送される穀物に適用され得る。

典型的なコンベヤシステムは、一般に環状であり、図３Ａまたは図４に示されていないモータ駆動の駆動輪またはプーリによりローラ上を移動される、種々のタイプのゴムおよびポリマーでできているトラフ状のベルトを備える。図３Ａは、コンベヤシステム５２の実施形態の模式的な断面図である。穀物１２が１つの位置から別の位置へベルト５６により搬送される際に、ベルト５６が、複数の穀物１２を収容するのに好適な複数組のローラ５４ａ～５４ｃ上に乗りながら、開いた凹形状を維持するように、複数のアイドラローラ５４ａ～５４ｃがベルト５６の下に配置される。基部２８は一連の垂直ローラ支持体６０ａ、６０ｂ、および６２ａ、６２ｂを支持する。支持体６０ａおよび６２ａは軸６４ａを保持し、アイドラローラ５４ａが軸６４ａの上で回転する。支持体６２ａおよび６２ｂは軸６４ｂを保持し、アイドラローラ５４ｂが軸６４ｂの上で回転する。支持体６２ｂおよび６０ｂは軸６４ｃを保持し、アイドラローラ５４ｃが軸６４ｃの上で回転する。

穀物または任意の他の種類の供給材料の流動床を生成するために、ベルト５６を振動させる。図３Ｂは、２つのタイプの偏心ローラ５４ａ～５４ｃの断面の模式図である。ローラ表面の上部はローラが回転する際に、振動し、ベルト５６の好適な振動を実現する。。複数のローラ５４は、複数の軸６４ａ～６４ｃのうちの１つを受容するように構成された、中央に円筒状穴６６を有する楕円形状を有している。それにより、表面６８は２つの高さの間を周期的に移動する。上記複数の軸のうちの１つを受容するように構成された、中心をそれた円筒状穴６６を有するものとして示された円筒形ローラ５８は同様の機能を有する。よって、ベルト５６がこれらのローラのいずれかを通過すると、ベルトは振動する。それにより、複数の穀物１２を、ベルト５６よりわずかな距離だけ上方に空中浮遊している状態にする。

高出力、および、より高い周波数（数十ｋＨｚ、たとえば２０ｋＨｚ）の音響源６８は、ベルト５６の上方に配置されており、波形発生器２４およびパワーアンプ２６により駆動される。波形発生器２４は、高周波供給源の周波数、および、その波形特性を判定し、マイクロコントローラ７０により制御される。高周波音響波は、複数の浮遊穀物同士を衝突させる。病原体の減少が効果的であることを確実にするために穀物１２の各体積が複数回、処理されるように、ベルト５６に沿って配置され、種々の角度で配置されたそのような供給源が複数存在している場合がある。

図４は、ベルト５６に外部振動を与えるための別の実施形態の断面の模式図である。アンプ３４を介して音響周波数源３２により駆動され、マイクロコントローラ７０により制御される変換器３０が、複数のローラ５４ａ～５４ｃを支持する取付具または表面２８に取り付けられる。本実施形態では、複数のローラ５４ａ～５４ｃは円筒形であり、それらの円筒軸に沿って複数の軸穴６６を有する。音響変換器は、表面２８に取り付けられているものとして示されているが、この位置に制限されるものでなく、垂直ローラ支持体６０ａ、６０ｂ、および６２ａ、６２ｂにも取り付けられ得る。高出力を有する音響源は市販されており、食品および飲料業界において使用されている。低周波振動源も市販されている。

Ｃ． 空中浮遊病原体の破壊

通常の室内空気（たとえば、クラスＩＳＯ９）中には、ほこり、花粉、細菌等を含む様々な種類の粒子が多数、存在している。表にみられるように、数が最も多い粒子は、径が０．５μｍよりも大きい。細菌またはウイルスなどの複数の病原体が空気中に存在している場合、それらは、静電荷、流体力学的に誘起された引力、ファンデルワールス力、およびいくつかの他の力、ならびに、ランダムな衝突により、その他の粒子に付着する。空気を低周波音（たとえば２０ｋＨｚ以下）により振動させると、振動の振幅は大きく、粒子同士が効率的に衝突し得る。したがって、これらの病原体を破壊する（不活性化させる）ためには、病原体を媒介する粒子同士での衝突の増加による、機械的な衝撃が重要な役割を果たす。多くの場合、Ｃｏｖｉｄ－１９（長さ０．１２５μｍ、径０．０８５μｍ、長さ０．０２０μｍのスパイク（突起）を有する）などのウイルス、および他のウイルスは、機械的に脆弱であり、そのようなウイルスの外膜は容易に破れ、それにより、ウイルスを不活性化させ得る。

以上に提示された微生物破壊実施形態は、複数の空中浮遊病原体も破壊するように修正され、拡張され得る。複数の空中浮遊病原体の場合には、穀物の場合のように、これらの目的物を、空気中の流動床と同等にする工程は不必要である。なぜなら、これらは既に自由浮遊しているからである。一方、小さい粒子の径、およびウイルスの径は、小さい粒子を小クラスタに凝集させ、それにより、より大きい粒子に見える前処理プロセスを必要とする。なぜなら、小さい粒子は、空気中に巻き込まれ、したがって、空気流とともに移動するからである。

本発明の本実施形態は、周知の音響放射力（ＡＲＦ）を適用して、まず、空中浮遊粒子を共振器チャンバ内の定在波節平面に移動させ、それにより、小クラスタが形成される。音響波Ｆａによる、粒子に対する力は

として表され得る。ここで、Ｐｏは圧力振幅であり、ｋは波長定数であり、λは波長であり、ｔは時間であり、ｘは変換器およびリフレクタ内の局所位置であり、Ｖｐは粒子体積であり、βｆは流体圧縮性であり、ならびにφは材料定数である。たとえば、Ｋ．ＹｏｓｉｏｋａおよびＹ．Ｋａｗａｓｉｍａによる「Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｎ ａ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｌｅ Ｓｐｈｅｒｅ」，Ａｃｕｓｔｉｃａ，Ｖｏｌ．５，ｐｐ．１６７－１７３，１９５５を参照されたい。

定数φが正である場合、力は節（node）に向けて粒子を引っ張り、φが逆符号を有する場合、力は腹（anti-node）に向けて粒子を移動させる。材料定数φは、以下の式

により得られる。ここで、β_fおよびβ_pはそれぞれ、流体媒質（空気）および粒子の材料圧縮性である。たとえば、Ｌ．Ａ．Ｃｒｕｚによる「Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｆｏｒｃｅ ｏｎ ａ Ｌｉｑｕｉｄ Ｄｒｏｐｌｅｔ ｉｎ ａｎ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ Ｗａｖｅ」，Ｊ．ｏｆ ｔｈｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ，Ｖｏｌ．５０，ｐｐ．１５７－１６３，１９７１を参照されたい。

式（１）から分かり得るように、音響力は粒子の体積に比例し、よって、より大きい粒子ほど、より大きい力を受ける。粒子の音響凝集の主な要因は、音響信号の性質、すなわち、音響周波数、音響強度、および滞留時間である。一般に、超音波範囲内の、より高い周波数が、複数のサブミクロン粒子の粒子凝集について、より良好に機能する一方、より低い周波数が、複数のミクロン範囲内の粒子に効果的である。なぜなら、複数の小さい粒子は、低周波で空気中に巻き込まれ、空気とともに移動するからである。これらの粒子は衝突したり、音響波の振動に追従するものではない。空中浮遊病原体の破壊に複数の高周波を使用することは自明であるように思われるが、考慮する課題が２つ存在している。まず、２００ｋＨｚを上回る高周波は空気中で大きく減衰し、よって、定在波を引き起こし、粒子凝集をもたらすための装置には、より短い距離、および、より小さい形状が使用されなければならない。たとえば、２５℃、湿度５０％、および１０ｋＨｚにおける、空気中の吸音率は、３００ｋＨｚにおける１７．４ｄＢ／ｍと比較すれば、０．１３１ｄＢ／ｍである。さらに、実用的な装置、すなわち、適度な量の空気流スループットを有するものの場合には、滞留時間が長すぎる状態になる。第二に、音響力は小さく、小さい粒子同士の衝突はあまり効果的ではない。複数の大きい粒子は、これらの高周波において静止状態になり、平衡位置から移動するものではない。したがって、大きい粒子同士の衝突はほとんど存在しない。

効果的な手法は、２つのステップのプロセスである。図５は、空中浮遊病原体の非侵襲的な破壊のための装置８０の模式的な側面図である。空気の前処理が、深さ（２ｃｍ）８４を有する矩形の第１の音響チャンバ（２０ｃｍ×１５ｃｍ）８２内で、高周波（約１００ｋＨｚ～約５００ｋＨｚ間の範囲内）で実現される。空気８６が、ファン８８を使用してチャンバ８２内へその入口９０において送り込まれる。音響波はチャンバ８２の一方側９４と振動通信（vibrational communication with）する圧電変換器９２により生成される。圧電変換器９２は、アンプ２６を介して波形発生器２４により駆動され、電子回路７０により制御される。一方で、反対側９６は、平行な節平面の定在波パターンがチャンバ８２内部に生成されるようにリフレクタとして機能する。節平面間の間隔は、空気中の、加えられた音の波長（たとえば、３４０ｋＨｚにおける１ｍｍの波長）に関係する。チャンバの寸法は、駆動する変換器のサイズに基づく。同じ駆動信号により駆動される、より大きい矩形状変換器、または、より小さい複数の変換器は、より大きいチャンバに対応し得る。この高周波前処理の目的は、より大きい粒子としてふるまう、複数の粒子の複数のクラスタを生成することである。複数のクラスタは、複数の粒子に付着している複数の病原体を運ぶ。複数の粒子同士が互いに接近する凝集プロセス中に、衝突プロセスおよび粒子同士を結合させること促進する二次的な音響力が存在している。第１の音響チャンバ８２は、病原体の破壊または不活性化にあまり効果的でないが、特定量の不活性化が病原体に応じて可能である。

第２の矩形音響チャンバ９８は、第１の矩形音響チャンバ８２よりも、深さ１００が大きい（最大２．５倍程度、ならびに、使用される低周波および加えられる音響出力に依存する）が、空気スループットを適度に一定にするために、チャンバ８２と実質的に同じ容積を有する。遷移部材１０２は、空気の乱流を減少させるためにチャンバ８２およびチャンバ９８をつなぐ。チャンバ９８の一方側１０６と振動通信する低周波（約５ｋＨｚ～約５０ｋＨｚ間の範囲内）変換器１０４は、アンプ３４を介して波形発生器１０７により駆動され、電子回路７０により制御され、チャンバ９８内に音響波を生成する。反対側１０８は、平行な節平面の定在波パターンがチャンバ９８内部に生成されるようにリフレクタとして機能する。節平面は、チャンバ８２内よりも、はるかに大きく離間している（たとえば、１０ｋＨｚにおいて３．４ｃｍ）。チャンバ９８の構成は、装置の所望の流量に基づいて選ばれる。

アルディーノ（Ａｒｄｕｉｎｏ）またはラズベリーパイ（Ｒａｓｐｂｅｒｒｙ Ｐｉ）電子基板などのプログラマブル電子制御装置７０は、デュアル出力波形発生器１０７を制御するために使用され得る。デュアル出力発生器１０７の各チャンネルの振幅および周波数はプログラム可能である。したがって、装置８０の高周波および低周波出力信号はいずれも、パワーアンプ２６および３４のそれぞれ（変換器９２および１０４それぞれを駆動するためにチャネル毎に１つ）を介して波形発生器１０７により供給される。

２つのチャンバに対して加えられる振動周波数は、小クラスタがより効率的に凝集して、チャンバ８２内のより大きい音響力の結果として、より大きい粒子を形成するように調節される。チャンバ９８は、多数の粒子間衝突が行われる場所である。なぜなら、複数の粒子は、それらの元の位置から移動した後、少ない節平面において蓄積する傾向にあるからである。チャンバ９８内では、複数の粒子は、加えられた音波により振動し、最も近くにあるものと衝突する。たとえば、１０ｋＨｚでは、複数の粒子は毎秒ほぼ１０，０００回衝突する。病原体の不活性化を改善するために、チャンバ９８の長さ（病原体処理長）は必要に応じて長くされ得る。なぜなら、チャンバの長さは、流量に依存する滞留を決定するからである。

チャンバ８２および９８、ならびに遷移部材１０２は、例として鋼、黄銅、または銅などの金属を備え得る。変換器９２および１０４は、圧電変換器を備え得るが、必要な周波数範囲内で効果的な振動を発生させるいかなる変換器も使用され得る。変換器は、通常、チャンバの外面にエポキシ樹脂で接着され、変換器の表面積を超えてチャンバ壁の大部分を振動させる。変換器９２および１０４は単一の変換器として示されているが、複数の変換器が、必要に応じて、大きい表面積を扱うために使用され得る。

熱が、種々のタイプのインフルエンザウイルスを含むほとんどの空中浮遊病原体を破壊することがよく知られている。空気８６の温度は、温度コントローラ１１２により制御される電気ヒータ１１０をチャンバ８２および９９の一方または両方の外部に取り付けることにより、上昇させられ得る。病原体処理装置８０を出る空気１１４は、５μｍよりも大きい粒子を除去するのに効果的なフィルタ１１６によりフィルタリングされ得る。ＨＥＰＡタイプのフィルタは利用されていない。なぜなら、そのタイプのろ過は流量を著しく減少させるからである。

本発明の前述の説明は例証および説明の目的で提示されており、および、網羅的であること、または、開示されたまさにその形式に本発明を限定することが意図されているものでなく、ならびに、明らかに、多くの修正および変形が、上記教示に照らして可能である。本実施形態は、本発明の原理およびその実用的な応用を最もうまく説明し、それにより、想定される特定の用途に適するように種々の実施形態における、および、種々の修正を伴う本発明を当業者が最もうまく利用することを可能にするために選ばれ、および説明されている。本発明の範囲が、本明細書に添付された特許請求の範囲により、画定されることが意図されている。

Claims (37)

1. 表面を有する容器の中に配置された複数の穀物または乾燥食品の表面上に存在している微生物の破壊のための方法であって、
   前記容器の中に配置された前記複数の穀物または乾燥食品を空中浮遊状態にするのに効果的な、第１の振幅を有する第１の周期的振動励起を前記容器の前記表面に対して行う工程と、
   前記空中浮遊状態にされた複数の穀物または乾燥食品に、それらの間の衝突を増加させるのに効果的な、第２の振幅を有する第２の周期的振動励起を前記容器の前記表面に対して行う工程と
   を備え、
   それにより、前記微生物は、空中浮遊状態にされた前記穀物または乾燥食品の衝突により破壊される、方法。
2. 前記第１の周期的振動励起が固定周波数振動励起を備える、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の周期的振動励起が掃引周波数振動励起を備える、請求項１に記載の方法。
4. 前記第１の周期的振動励起が方形波を備える、請求項３に記載の方法。
5. 前記方形波は、１０Ｈｚと１００Ｈｚとの間で周波数が掃引される、請求項４に記載の方法。
6. 前記第２の周期的振動励起が固定周波数振動励起を備える、請求項１に記載の方法。
7. 前記第２の周期的振動励起が掃引周波数振動励起を備える、請求項１に記載の方法。
8. 前記第２の周期的振動励起が方形波を備える、請求項７に記載の方法。
9. 前記方形波は、５ｋＨｚと１００ｋＨｚとの間で周波数が掃引される、請求項８に記載の方法。
10. 前記第２の周期的振動励起を行う工程中に空気温度を測定する工程をさらに備える、請求項１に記載の方法。
11. 複数の穀物および乾燥食品の表面上に存在している微生物の破壊のための方法であって、
    移動コンベヤベルトの表面上に複数の穀物または乾燥食品を堆積させる工程と、
    前記コンベヤベルトの表面上に前記複数の穀物または乾燥食品の流動床を形成するのに効果的な、第１の振幅を有する第１の周期的振動励起を前記コンベヤベルトに対して行う工程と、
    前記複数の穀物または乾燥食品に、それらの間の衝突を増加させるのに効果的な、第２の振幅を有する第２の周期的振動励起を流動化した前記複数の穀物または乾燥食品に対して行う工程と
    を備え、
    それにより、前記微生物は、前記穀物または乾燥食品の衝突により破壊される、方法。
12. 前記第１の周期的振動励起が固定周波数振動励起を備える、請求項１１に記載の方法。
13. 前記第１の周期的振動励起が掃引周波数振動励起を備える、請求項１１に記載の方法。
14. 前記第１の周期的振動励起が方形波を備える、請求項１３に記載の方法。
15. 前記方形波は、１０Ｈｚと１００Ｈｚとの間で周波数が掃引される、請求項１４に記載の方法。
16. 前記第２の周期的振動励起が固定周波数振動励起を備える、請求項１１に記載の方法。
17. 前記第２の周期的振動励起が掃引周波数振動励起を備える、請求項１１に記載の方法。
18. 前記第２の周期的振動励起が方形波を備える、請求項１７に記載の方法。
19. 前記方形波は、５ｋＨｚと１００ｋＨｚとの間で周波数が掃引される、請求項１８に記載の方法。
20. 前記第２の周期的振動励起を行う工程中に空気温度を測定する工程をさらに備える、請求項１１に記載の方法。
21. 複数の空中浮遊粒子に付着している複数の病原体の破壊のための方法であって、
    選択された方向に空気を流す工程と、
    第１の波長を有する第１の周期的な音響波を第１の空気流の体積内に発生させる工程と、
    前記第１の周期的な音響波を前記第１の空気流の体積内で、第１の選ばれた間隔を有する平行な節平面の第１の定在波パターンが生成されるように反射させ、それにより、複数の空中浮遊粒子であって、それらに付着している複数の病原体を有する複数の空中浮遊粒子の複数のクラスタが生成され、前記複数のクラスタが、流れている空気中を移動している工程と、
    第２の波長を有する第２の周期的な音響波を第２の空気流の体積内に発生させる工程と、
    前記第２の周期的な音響波を前記第１の空気流の体積よりも下流で、前記第１の選ばれた間隔よりも大きい第２の選ばれた間隔を有する平行な節平面の第２の定在波パターンが生成されるように反射させ、それにより、前記複数の空中浮遊粒子であって、それらに付着している複数の病原体を有する、前記複数の空中浮遊粒子の前記複数のクラスタ間の多数の衝突を、
    前記複数の病原体が前記複数のクラスタの衝突により破壊されるように、
    発生させる工程と
    を備える方法。
22. 前記第１の周期的な音響波が約１００ｋＨｚと約５００ｋＨｚとの間の周波数を有する、請求項２１に記載の方法。
23. 前記第２の周期的な音響波が約５ｋＨｚと約５０ｋＨｚとの間の周波数を有する、請求項２１に記載の方法。
24. 空気中に前記第２の周期的な音響波を発生させる工程に後続して、空気をフィルタリングする工程をさらに備える、請求項２１に記載の方法。
25. 前記空気中に前記第１の周期的な音響波を発生させる工程に先行して、空気を加熱する工程をさらに備える、請求項２１に記載の方法。
26. 複数の穀物および乾燥食品の表面上に存在している微生物の破壊のための装置であって、
    複数の穀物または乾燥食品が堆積されるトラフ状搬送面と、各アイドラが軸を有する少なくとも一組の３ローラのトラフアイドラにより支持された下面とを有するコンベヤベルトであって、各アイドラが、軸と、少なくとも１つのヘッドプーリと、少なくとも１つのテールプーリとを有し、少なくとも１つの前記ヘッドプーリには、前記コンベヤベルトが移動されるように動力が供給される、コンベヤベルトと、
    前記コンベヤベルトの表面の上方に前記複数の穀物または乾燥食品の流動床を形成するのに効果的な、第１の振幅を有する第１の周期的振動励起を前記少なくとも一組の３ローラのトラフアイドラに対して行うための第１の振動源と、
    前記複数の穀物または乾燥食品に、それらの間の衝突を増加させるのに効果的な、流動化させられた前記複数の穀物または乾燥食品を振動させるための、第２の振幅を有する第２の周期的振動励起源と
    を備え、それにより、前記微生物が、前記穀物または乾燥食品の衝突により破壊される、装置。
27. 前記第１の振動源は、前記少なくとも一組の３ローラのトラフアイドラを振動させるように構成され、パワーアンプを駆動する周波数源により、動力が供給された振動変換器を備える、請求項２６に記載の装置。
28. 前記第１の振動源は、偏心ローラ、または、ローラ毎の、中心をそれた軸を、前記少なくとも一組の３ローラのトラフアイドラ内に備える、請求項２６に記載の装置。
29. 前記第１の周期的振動励起が固定周波数振動励起を備える、請求項２７に記載の装置。
30. 前記第１の周期的振動励起が掃引周波数振動励起を備える、請求項２７に記載の装置。
31. 前記第１の周期的振動励起が方形波を備える、請求項３０に記載の装置。
32. 前記方形波は、１０Ｈｚと１００Ｈｚとの間で周波数が掃引される、請求項３１に記載の装置。
33. 前記第２の周期的振動励起が固定周波数振動励起を備える、請求項２６に記載の装置。
34. 前記第２の周期的振動励起が掃引周波数振動励起を備える、請求項２６に記載の装置。
35. 前記第２の周期的振動励起が方形波を備える、請求項３４に記載の装置。
36. 前記方形波は、５ｋＨｚと１００ｋＨｚとの間で周波数が掃引される、請求項３５に記載の装置。
37. 前記コンベヤベルトの前記表面の上の空気温度を測定するための温度測定装置をさらに備える、請求項２６に記載の装置。