JP4247117B2 - 人間医学の療法において水溶液を清浄化する装置 - Google Patents

Description

本発明は、中に含まれている有害物質を無菌化および除去する目的で水溶液、特に透析液を清浄化するものであって、物理的に溶解した酸素の存在下で液体を紫外線に曝露するようにしたものに関する。

患者が直接的または間接的に水もしくは水溶液に接触する人間医学の療法においては、水の純度が非常に高いことが絶対的な要件である。しかし、実際には技術的な実現可能性が限られているために、適当な水清浄化は必ずしも可能ではない。この場合、適当な水清浄化とは、問題のある微生物（細菌、真菌類など）および発熱性物質（内毒素、外毒素）を除去することを意味する。このほかに、化学殺虫剤などの有害物質も挙げられる。これは特に数リットルの流れる水溶液を必要とし、しかも治療中に利用可能な都市水道からあらかじめ十分清浄化されていない水を取って行う療法に当てはまる。例として、腎不全患者の血液透析が挙げられる。

現在、上記の治療において、いわゆる「超純水透析液」の製造は、活性炭フィルターを組み合わせた殺菌濾過装置を用いないと可能ではない。しかしこの清浄化工程は非常にコストがかかり、多剤耐性菌を発生させる危険があるので長期的には満足できる解決策ではない。医師は明確に超純水透析液を要求するが、これは現時点では至るところで実現可能というわけではない。

文献に記載されている紫外線殺菌の理論的な可能性により、人間医学における治療目的の水清浄化の枠内で、原理的に殺菌濾過装置に代わる代替法が与えられている。紫外線殺菌が滅菌作用だけでなく、ある前提条件の下ではいわゆる「超純水」の製造にも適していることが知られている。超純水は、たとえば半導体工業で必要とされ、高純度水の性質のほかに、炭素化合物の含有率が非常に少ないのが特徴である。紫外線殺菌においては、波長λ=254nmがDNAを破壊することによって生きている微生物は死滅するか、または不活性化する。そのうえ、紫外線および／または超音波によって誘発され維持される酸化プロセスによりその他の有害物質や内毒素が分解されて、人間の生体にとっても無害なものとなる。

しかし現在、紫外線をベースとして、相互作用によって形成される酸化プロセスによって、超純水の製造、すなわち微生物の死滅、発熱性物質の除去および有害物質の分解を動的条件下で、つまり患者が水と直接的または間接的に接触する数秒前に可能にする装置または方法は存在しない。

本発明により、動的条件下で超純水を製造する装置および方法が初めて開発された。本発明は、その都度の治療形態に応じた制限時間内で、他の化学薬品を添加したり、コストのかかる補助手段を用いることなく超純水を製造することを可能にする。それによって治療は著しく高い水準に引き上げられ、その結果として患者にとってクォリティー・オブ・ライフが高まるだけでなく、場合によっては生命が救われることにもなる。

これは現在の技術水準ではいかなる装置または方法によっても実現できない。公知の方法では、水清浄化の幾つかの側面が可能であるにすぎない。すなわち、
１．波長λ=254nmの紫外線により流れる液体を無菌化する。
２．別の方法と組み合わせて（メーカーの指定なし）、波長λ=185nmの使用下で流れる液体中に含まれる炭化水素を分解する。
３．過酸化水素やオゾンなどOH⁻ラジカル生成物質を添加して、波長λ=254nmの紫外線により有機物質を無菌化および酸化する。
４．表面などの静的な系を滅菌するために波長λ=360nmにより酸化チタンを照射してラジカルを生成する。
５．H₂OをＨとOHに分解する波長λ=170nmの紫外線を発生させるための、まだ市販されていない開発中のキセノンランプ。この波長には殺菌作用はもはや存在しない。

本発明の課題は、人間医学および食品産業において使用する目的で、特に流量０ml/min（静的）から少なくとも10,000ml/minで「超純水透析液」を製造するために、また有利には注入溶液をオンライン法で製造するために、紫外線を用いて動的条件下において内毒素のない無菌状態の水または水溶液を製造することである。

上記課題を解決するために、主として次の特徴を持たせる。
１．流水または水溶液中の生きている微生物および真菌類を殺すか、または不活性化する。
２．流水または水溶液中の発熱性物質（内毒素、外毒素）を除去する。
３．流水または水溶液中の化学殺虫剤、化学除草剤および殺真菌剤を除去する。
４．透析治療中に透析患者に活力を与えるために透析液中の酸素量を増やす。

この目標を達成するためには、次の方法手順が行われる装置が必要とされる。
⁻OHラジカル生成は、選択した紫外線波長および／または統合した撹拌装置、好ましくは超音波発生器との組み合わせによって開始および維持されて、十分な量の⁻OHラジカルが生成する。生成した⁻OHラジカルは液体容積中に十分均一に分布させて、⁻OHラジカルと内毒素もしくは外毒素とが接触する高い確率を保証し、しかもこれが流量が数ml/minないし少なくとも10,000ml/minの静的条件下および動的条件下で確保されるようにする。

本発明による装置は、本質的に１つ以上の中空体からなり、処理しようとする水溶液がこれらの中空体を通過する。中空体は装置の外部に配置するか、装置内に導入するか、または装置と一体的な構成部材であってもよい。

本発明による装置にとって本質的なことは、中空体内に少なくとも１つの紫外線放射器があり、これらの紫外線放射器は170nmないし260nmのスペクトルから少なくとも２種類の波長の紫外線を放出することである。

同様に本質的なことは、紫外線放射器の周囲の中空体内を液体が無秩序に流れることである。この無秩序な流れは、好ましくは統合された超音波発生器（周波数＞18kHz）によって形成される。

この超音波発生器は、一種の撹拌装置としても、またH₂O₂を産生するためにも働く。超音波発生器と組み合わせて使用する紫外線放射器は、170nmないし260nmのスペクトルから少なくとも１種類の波長を放出する。

さらに本質的なことは、処理しようとする媒質が、中空体内で放射器に対して特定の流路を通ること、しかも紫外線放射器のガラス表面上の比較的薄い膜として通ることである。純化しようとする水溶液の膜の厚さは、乱流、紫外線放射器の表面の輪郭および液体中に発生した無秩序に依存している。

次のパラメーターも本質的であり、これらは相互に関係してよい。
中空体直径、放射器の管径、使用する管の表面の輪郭、迎え角、放射器の数、放射器保護管または使用する放射器保護管の外表面の輪郭、紫外線波長、放射出力、放射密度、無菌化しようとする媒質および生成した無秩序の照射空間における水溶液中の滞留時間。

さらに本質的なことは、⁻OHラジカルおよび／またはオゾンを生成し、これらを流れる水溶液中に確実に、かつ均一に分布させる装置が中空体内部に配置されていることである。

さらにまた本質的なことは、清浄化しようとする溶液が物理的に溶解した酸素を含んでいるか、または酸素を内部または流動空間にもたらす装置を含んでおり、流動空間は酸素を周囲空気または酸素貯蔵容器または水それ自体から取る。

中空体は水溶液に対して少なくとも１つの入口と、少なくとも１つの出口を有している。開口部は上部および／または下部にあってよく、中心および／または接線方向に位置合わせして設けることができる。

無菌化、内毒素低減および炭化水素もしくは水溶液の除去のために、通常のチューブ接続および／または配管を切断し、適当なカップリングを用いて本発明による装置を貫流部材として挿入する。

管径、使用する管の内表面の輪郭、迎え角、放射器の数、使用する放射器の外表面、使用する紫外線波長、放射出力、放射密度、液体分子の無秩序状態、無菌化しようとする媒質の管内の滞留時間に応じて、本発明による装置を用いて数ml/min（静的）から少なくとも10,000ml/minの流量で無菌状態を確実に達成することができる。

本発明の基礎は、⁻OHラジカルおよび／またはオゾンを生成して水または水溶液中に確実に分布させて、細菌、発熱性物質（内毒素、外毒素）および炭化水素（肥料、化学殺虫剤、化学除草剤および殺真菌剤）を除去することである。このために次の特徴が本質的である。
１．特定の波長、または限界値170nmから260nmまでの１つ以上の波長の適当な組み合わせを放出する紫外線放射器。
２．処理しようとする水溶液が⁻OHラジカルおよび／またはオゾンを生成するために中空体内部に設けた装置。
３．液体のすべての領域が⁻OHラジカルと接触することを確保する貫流操作。
４．生成した⁻OHラジカルを流れる水溶液中で確実に分布させる適当な装置。

可能な構成は次の通りである。
１．に対して：
本質的なことは、限界値170nmから260nmの１つ以上の紫外線波長を適当に組み合わせること、そして純化しようとする水溶液中に乱流および無秩序状態を生み出す、ハウジング内部の装置である。

１および２に対して：
波長、液体操作および水または水溶液中の酸素分圧を適切に選択することにより、処理しようとする水溶液中に次の物理化学的反応が誘起され維持される。

反応Ｉ： O₂＋hv → O＋O
O₂＋O → O_３
反応II： O_３＋hv → O₂＋O
O＋H₂O → H₂O₂
反応III： H₂O₂＋hv →⁻OH＋⁻OH
反応IV： 内毒素＋⁻OH →H₂O ＋ CO₂ ＋分解生成物
２に対して：
グルコースオキシダーゼ＋グルコース＋酸素 → グルコン酸＋過酸化水素
２に対して：
H₂Oと適当な波長の紫外線から⁻OHラジカルを生成
H₂O＋hv → H＋⁻OH
４および２に対して：
過酸化水素および／または過酸化酢酸を液体流に微量調整して導入する。

３に対して：
水中において、170nmから260nmまでのスペクトルのうち少なくとも１種類の紫外線波長の吸収率は非常に高い。全液体流が⁻OHラジカルと十分に接触することを保証するために、処理しようとする水または処理しようとする水溶液の膜厚が、上記の波長範囲で適用された紫外線が水または水溶液に浸透する深さを超えないように確保する流動操作、および／または生成した⁻OHラジカルの確実な分布を保証するジオメトリーが必要である。

および／または水溶液中に無秩序状態を確保する撹拌装置。
４に対して：
水中において、170nmから260nmまでのスペクトルのうち少なくとも１種類の紫外線波長の吸収率は非常に高い。全液流が⁻OHラジカルと十分に接触することを保証するために、⁻OHラジカルの生成に必要な170nmから260nmまでのスペクトルのうち少なくとも１種類の紫外線波長が液流全体に照射されることが確保されなければならない。本発明においてこれは、紫外線放射器またはその保護管の流体に囲まれる表面が鍾乳石または石筍のような構造で形成されていることによって達成される。これらの表面は、回転対称形の隆起部を有してもよい。最後に、水溶液中に無秩序状態を確保する撹拌装置を設けることができる。

５に対して：
次の特徴、すなわち管径、使用する管の内表面の輪郭、迎え角、放射器の数、使用する放射器の外表面、紫外線波長、放射出力、放射密度、液体分子の無秩序状態、無菌化しようとする媒質およびそこに形成された無秩序状態が管内に滞留する時間を適当に相関させることにより、０ml/min（静的）から少なくとも10,000ml/minの流量で無菌状態および無内毒素状態が達成される。

無菌で内毒素のない水または水溶液を製造するための上記の装置は、血液透析治療の実施を患者、スタッフおよび環境に対してより安全に形成するのに特別適している。すなわち、治療者は血液透析療法を次に掲げる点でより安全、効果的、かつ廉価に形成することが可能となる。

１．オンライン透析法
特異的な血液透析療法を実施する間、患者の液体容量よりもはるかに多量の液体を連続的に捕集し、液体（血液代用剤）を再び供給することができる。オンライン透析は一部袋に入れて販売されている血液代用剤を用いて、物質収支装置を介して患者に実施される。この場合、透析装置によって生産される透析液の一部は殺菌濾過装置を用いて、血液代用剤として使用できるほどに清浄化されるが、これは高価である。さらに、血液代用剤は発熱性物質、内毒素および外毒素を含む、滅菌されていない透析液から作られる。つまり、患者の安全が保証されるのは、使用する殺菌濾過装置のすべての毛管に微小漏れがない場合に限られる。

２．患者の安全性
透析治療中、無菌透析液により患者に著しい負担がかかる。さらにほとんどすべての市販されている透析装置において、排液流を伴う透析液、すなわち透析物の脱ガスがベンチュリ原理によって行われる。そうすることによって、さらに透析液中に逆行性の細菌繁殖を招く恐れがある。殺菌濾過装置は約200時間の透析運転の後、比較的短い停止時間がある。すなわち、遅くとも２カ月毎に殺菌濾過装置を交換しなければならない。現在、濾過装置の損耗を示す指標は存在しない。そのため濾過装置交換時には監視の問題が生じ、さらには除去しようとする微生物は死滅せずに濾過装置内に集まるため、危険源も発生する。この理由から濾過装置は多剤耐性菌の発生に寄与するように思われる。さらに、毛管破損により微小漏れが発生して、微生物が通り、患者に重大な危険を及ぼす恐れがある。

３．スタッフに対する危険
現在、殺菌濾過装置を使用するとしても、コスト上の理由から透析装置の前のみである。つまり、透析装置は透析液の領域でも、排液（透析物）の領域でも保護されていない。この場合、透析装置は持ち込まれた細菌に対して卓越した成長条件を提供する。細菌の集合は、技術スタッフにとって著しい危険源となる。さらに、濾過装置交換も危険源となり得る。

４．環境保護と衛生
使用済み透析液、すなわち透析物は、従来は清浄化されずに排水路に導入されている。これは、排水管中に大量のタンパクが沈殿するため、透析実施者にとって根本的な問題となっている。この沈殿はあらゆる微生物にとって格好の培地であり、特に感染性の高い透析患者（肝炎、HIVなど）を治療する場合は危険が大きい。

オンライン透析の実施はまず、すでに無菌の透析液から再度無菌化および内毒素低減により血液代用剤を製造することによってより安全になる。それはまた、微生物が他の母地で増殖することなく、死滅し、それらの残骸が酸化されてH₂OとCO₂になることによってもより安全となる。濾過装置毛管の破損により微小漏れが生じることもない。

透過物、透析液、透析物も、代替溶液も無菌化され、内毒素が除去される。そうすることによって次に挙げる危険が排除される。
a) 内毒素を含有した滅菌されていない透析物により患者に負荷がかからない。
b) 使用済み透析液（透析物）を無菌化するため、透析液の脱ガスの際に逆行性の細菌繁殖を招かない。
c) すべての微生物が死滅して、それらの残骸が酸化されてH₂OとCO₂になるので、多剤耐性菌は発生し得ない。

透過物、透析液、透析物も、代替溶液も無菌化され、内毒素が除去されて、次に挙げる危険が排除され、以下に記載する利点が達成される。
a) 使用済み透析液（透析物）を無菌化するため、透析液の脱ガスの際に逆行性の細菌繁殖を招かない。それによって治療技師に対する汚染リスクおよび感染危険はなくなる。
b) 治療期間が著しく短縮されるため（12000時間または約4.5年）、作業時間および二次汚染は少なくなる。
c) 指標を読み取ることにより、効率監視が行われる。
d) 微生物が死滅することにより、微生物を含んだ濾過装置を特別廃棄物として処分する必要はない。
e)液体が貫流する管内で避けられない沈殿などによる汚染は、もはや発生しない。本発明に従い、超音波撹拌装置により自浄システムが生まれる。

以下に、本発明を例により図面に基づいて詳細に説明する。
図１から図３に示す実施形態は、ほぼ回転対称形に構成されており、ハウジングの個々の部分はガラスで作られている。

10はハウジングの外円筒を表わし、処理しようとする液体が11で下から導入される。この導入はポンプや絞り弁を介して行うことができ、単位時間当り特定の容積がハウジング10内に進入する。その結果、ハウジング10の上部領域には液面11が生じる。

円筒10の内部には別の円筒40がある。円筒40は下部領域が細くなっていて、ハウジング10から密封されて外に出ている配管に接続されている。内円筒40が同じ高さに貫通部41を有している。図１では互いに向き合う２つの開口部41が示されている。これらの貫通部または開口部はスリット状であってよく、円筒10内にある水溶液の液面11が生じるように働く。矢印12によって、これらの液体がどのように円筒40の内室に進入し、紫外線放射器の外側ハウジング上に比較的薄い表面膜を形成する。液体はハウジング20に沿って下方に移動し、14でハウジングから離れ、上述の管15を通って捕集器に達する。

外側ハウジング10は貫通部30を有しており、ここから周囲空気が容器10の内室に到達できるようになっており、空気中の酸素が処理しようとする液体と接触する。図示された実施形態では周囲空気は開口部30を通って容器10内に達する。好適な実施形態では酸素を供給できる。

最後に、21は紫外線放射器の保持具を示す。この保持具は、一方では電気エネルギーが供給され、他方では円筒10および40を機械的に保持する働きをする。
処理しようとする液体は11でハウジング10に達し、最後に紫外線放射器20の表面上で比較的薄い層または膜13を形成し、紫外線放射器の投入時に相応の光線で照射される。流れの厚さが比較的小さいために、液体の流れは紫外線放射器20の選択した波長で処理できるので、所望の効果、すなわちOH⁻ラジカルの生成を、物理的に溶解した酸素を用いて、あるいは上述したように物理的に溶解した酸素を含んでいない液体の場合において達成できる。

図２に示す本発明による装置の変化した実施形態において、紫外線放射器20の外輪郭21は、流れる液体が比較的長い距離を通過しなければらないように形成された。液体はこの経路で集中的に、特に波長185nmで照射される。この光線は紫外線放射器の表面から比較的短い距離で液体１に作用する。なぜならば、液体室の厚さが大きいと吸収現象が生じて、OH⁻ラジカル生成を妨害するからである。紫外線放射器の表面を拡大するか、もしくは液体の経路を延長することに基づくこの作用は、液体中に乱流を発生させる障害物を流動経路に埋設することによってさらに高めることができる。

本発明の枠内で図１と図２に示す種類の装置を相前後して接続すると、液体の処理は数段階で行われる。
さらに、外側容器の内壁が円筒とは異なる表面、たとえば紫外線放射器の表面21に対応する表面を有し、液体が比較的狭く寸法設定した流路を通過しなければならないようにすることも考えられる。そのような形状を簡単に実現するために、紫外線放射器20の表面をらせん状またはねじ状に形成して、ハウジング40の内表面を相応に少し大きく形成する。

さらに本発明の枠内において、図１および図２に示された液体の流れの方向を逆転させて、放射器ハウジングにおいて流れの円柱が下から上に上昇するようにした。
図３には、ハウジング10の側壁または下部領域に複数の超音波発生器が50で示されている。しかしながら、紫外線放射器20に対して平行に案内された唯一の波超音波振動子を使用することもできよう。

本発明による装置の横断面図である。 本発明による装置の変化した実施形態に相応の横断面図である。 本発明による装置の変化した実施形態に相応の横断面図である。

Claims (1)

1. 中に含まれている有害物質を無菌化および除去する目的で水溶液を清浄化する装置であって、
   170 nm から 260 nm までのスペクトルから少なくとも２種類の波長の紫外光を放射する少なくとも１つの紫外線放射器 (20) と、
   前記紫外線放射器 (20) を囲んでいる円筒形状のハウジングである内側ハウジング (40) と、
   前記内側ハウジング (40) を囲んでおり、前記水溶液の注入口を有する円筒形状のハウジングである外側ハウジング (10) と、
   18kHz より高い周波数の超音波を発生させる超音波発生器と、
   を備え、
   前記内側ハウジング (40) の下部領域は細くなっていて前記外側ハウジング (10) から密封されて外に出ている配管に接続されると共に、前記内側ハウジング (40) の上部領域には前記外側ハウジング (10) の注入口から注入された水溶液を前記内側ハウジング (40) 内へ流入させるためのスリット状の貫通孔 (41) が設けられ、
   前記外側ハウジング (10) 内に注入された水溶液は、前記貫通孔 (41) を通って前記内側ハウジング (40) 内へ流入し、前記紫外線放射器 (20) の表面に沿って膜状 (13) に流れ、前記超音波発生器により前記超音波が放射されて、前記配管より流出する
   ことを特徴とする装置。

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