JP4844488B2

JP4844488B2 - 高電圧パルス制御による選択的液体処理方法

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Publication number: JP4844488B2
Application number: JP2007182515A
Authority: JP
Inventors: 大典石田; 寿範温見; 隆司真島; 隼志山村
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2007-07-11
Filing date: 2007-07-11
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2027-07-11
Also published as: JP2009018008A

Description

本発明は、液体中の酵素などの有効成分や物質を分解や失活させることなく、液体中に混入した殺菌対象物のみを選択的に高電圧パルスで殺菌できる高電圧パルス制御による選択的液体処理方法に関するものである。

従来、高電圧パルスを利用した液体の殺菌処理について様々な方法が提案されている。

これら殺菌方法は、特許文献１〜５に示されるように、殺菌対象の媒体中に設置された電極間に高電圧パルスを印加し、高電界や種々の放電に伴って発生する衝撃波などを微生物に付与することによって殺菌処理する方法である。

この高電圧パルスは、液中にストリーマ状放電を発生させ、ストリーマ状放電で、オゾン、ＯＨラジカル、衝撃波などが発生し、これにより対象とする微生物を殺菌するものである。

特開２００４−２４８８６６号公報特開２００３−３４３１４号公報特開２００１−２５２６６５号公報特開２０００−１６６５２３号公報特開２０００−２６２２６１号公報

しかしながら、殺菌対象の媒体中に高電界や種々の放電を発生させると媒体中の微生物以外の様々な物質にも影響を与えてしまう。

例えば、医薬品として消化酵素の製造においては、生産された消化酵素を濃縮して粉末とする際に、製造プラント内に雑菌としての微生物が混入するため、有効物質である消化酵素を失活させずに、雑菌である微生物を選択的に処理する必要がある。現在、フィルターろ過による微生物の処理が一般的であるが、フィルターの目詰まりのためにフィルターの定期交換が必要である。また、微生物に比べてサイズが大きい有効物質を含んでいる場合は、フィルターろ過による微生物処理は適用できない。一方で、高電圧パルスを処理液体中に印加した場合、微生物の殺菌と共に有効物質である酵素の分解や失活など不必要な効果も与えてしまう。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、処理液媒体中の有効物質や成分にダメージを与えずに殺菌対象とする微生物のみを選択的に殺菌することができる高電圧パルス制御による選択的液体処理方法を提供することにある。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、酵素からなる有効物質が含まれた処理液媒体中に混入している雑菌としての微生物を選択的に殺菌する高電圧パルス制御による選択的液体処理方法であって、高電圧パルスが印加される５０ｍｌ又は８０ｍｌの処理容器内に処理液媒体を循環流量２００〜６００ｍｌ／分の循環流量で繰り返し循環し、かつ、処理液媒体中の有効物質の残存活性度８０％以上となる１００Ｊ／ｍｌ以上５００Ｊ／ｍｌ以下の範囲の投入電気エネルギで、かつ微生物の細胞膜に電気穿孔を形成して殺菌する高電圧パルスの電界強度を２５ｋＶ／ｃｍ以上、パルス半値幅１００〜１６０ｎｓとすると共に、前記投入電気エネルギの範囲内の条件で処理液媒体に前記高電圧パルスのパルス繰り返し数を２ｐｐｓ以上、６ｐｐｓ以下にした高電圧パルスを印加して、前記有効物質にダメージを与えずに雑菌としての微生物を殺菌することを特徴とする高電圧パルス制御による選択的液体処理方法である。

本発明によれば、殺菌対象とする微生物のみにダメージを与える高電圧パルスの条件を求め、その条件で高電圧パルスを印加することで、有効物質にダメージを与えることなく選択的に殺菌できるという優れた効果を発揮するものである。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、本発明で使用する高電圧パルス殺菌処理装置を示したものである。

図１において、１０は絶縁体で円筒状に形成した処理容器で、処理容器１０の下部に殺菌対象である処理液媒体１１の供給口１２が、上部に処理液媒体１１の排出口１３が設けられる。

処理液媒体１１中、ｖは殺菌対象としての微生物で、そのサイズは１〜５μｍ程度で、有効物質である消化酵素のサイズは、ナノメートルオーダーであり、図示していない。

処理容器１０の一方には、針電極としてのアノード電極１４が処理容器１０の中心に位置するように設けられ、そのアノード電極１４に位置してリング状の接地電極としてのカソード電極１５が設けられる。

アノード電極１４は、沿面放電を防止するためにセラミック等で半円球状に形成した保護体１８から尖端部１４ａが突出するように設けられる。

供給口１２と排出口１３は、カソード電極１５を挟むように設けられ、供給口１２からの処理液媒体１１が、電極１４，１５間を通って排出口１３に流れるようになっている。

電極１４，１５間には、高電圧パルス発生装置１６が接続され、その高電圧パルス発生装置１６が、パルス制御装置１７にて、アノード電極１４とカソード電極１５間、すなわち処理液媒体１１中へ印加する高電圧パルスの条件を制御するようになっている。

パルス制御装置１７は、高電圧パルス発生装置１６でのパルス電圧やパルス幅やパルス形状、パルスの繰り返し数といった条件をパルス成形回路やスイッチング回路などのパルス制御回路を用いて制御することによって、処理液媒体１１中へ印加される高電圧パルスを制御し、処理液媒体１１中の成分に対して選択的に効果を付与することができる。

高電圧パルス殺菌処理装置の基本仕様を、以下に示す。

電極アノード（点）カソード（リング４０ｍｍφ）銅製
ギャップ長約２０ｍｍ
印加電圧５０〜１２０ｋＶ
放電電流５０〜２００Ａ
パルス幅１００〜１６０ｎｓ（半値幅）
パルス繰り返し数２〜１０ｐｐｓ
処理容器容量５０ｍｌまたは８０ｍｌ
循環流量２００〜６００ｍｌ／分
とした。

ただし、ｐｐｓは、ｐｕｌｓｅｐｅｒｓｅｃｏｎｄの略で、１秒間に印加するパルス数である。上記の仕様で、パルス繰り返し数を適宜変えて、処理液媒体１１の殺菌処理を行った。

図２は、処理液媒体に投入した電気エネルギ［Ｊ／ｍｌ］に対して、酵素の残存活性度を調べたものであり、パルス繰り返し数にかかわらず投入電気エネルギが１００Ｊ／ｍｌ以上となると残存活性度が９０％以下となり、５００Ｊ／ｍｌ以上となると残存活性度が８０％以下になることが確かめられた。

図３は、処理液媒体に投入した投入電気エネルギに対する、微生物の生存率と殺菌率を実験により求めたもので、Ａの黒丸印は循環式で６ｐｐｓの場合、Ｂの黒四角は循環式で２ｐｐｓの場合、Ｃの黒三角印は比較のために示したバッチ式で２ｐｐｓの場合である。

循環式の２ｐｐｓのグループＢでは、投入電気エネルギを多くすると、これに従い殺菌率は大きくなる。

これに対して、６ｐｐｓの循環式のグループＡは、グループＢと同様に投入電気エネルギを多くすると、殺菌率は向上するが、繰り返しパルス数の違いにより、すなわち、投入電気エネルギが２００Ｊ／ｍｌで、２ｐｐｓでは、殺菌率が９７％（生存率３％）であるのに対して、６ｐｐｓでは、殺菌率９９．９％（生存率０．１％）と殺菌効率を格段に向上させることができる。

また、Ｃのバッチ式では、同じ繰り返し数の循環式と比べて殺菌率が低くなった。

バッチ式の場合には、処理液媒体が容器内に封入されたままであり、投入電気エネルギを多くすれば、処理液媒体に電荷が貯まるため、細胞の殺菌率も上昇するものの酵素の生存率も下がると考えられる。これに対してグループＡ、Ｂの循環式では、処理液媒体が容器内外を循環しているため、処理液媒体に印加した高電圧パルスが電荷として蓄積されずに容器外に排出され、バッチ式に比べて、投入電気エネルギとの相関が少なくなるため、酵素の生存率はバッチ式に比べて高くなる。しかしながら、パルス数を多くすれば、細胞の殺菌率を高くすることができる。ここで、Ａグループの２ｐｐｓとすると、さらに酵素の生存率が高く、Ｂグループの６ｐｐｓとすると殺菌率が上昇する。よって、殺菌対象に応じて繰り返しパルス数を選定することで、酵素の生存率を確保しつつ最適な殺菌を行うことができる。

したがって、投入電気エネルギが、５００Ｊ／ｍｌ以下、好ましくは１００Ｊ／ｍｌ以下で、繰り返しパルス数を適正に選択することで、酵素にダメージを与えず微生物を良好に殺菌できる。

また、平均電界強度２５ｋＶ／ｃｍ、パルス半値幅１００〜２００ｎｓで、処理液媒体を処理容器１０内に、１分で数回入れ替わる程度で循環させるのが好ましい。

次に、適正印加電圧の下限について説明する。

印加電圧の下限は、雑菌の細胞の大きさと、１Ｖの電圧で雑菌の細胞膜が破壊されるという事実によって決まる。

この細胞膜が破壊の現象は、「Ｅｌｅｃｔｏｒｏｐｏｒａｔｉｏｎ」と呼ばれるもので、細胞にパルス電界を印加すると、細胞質（導電性）覆う細胞膜（絶縁性）に電界が集中し、細胞膜にかかる電圧が１Ｖ程度になると、エレクトロポレーション（電気穿孔）により、細胞膜に孔が形成され始め、これにより細胞が死滅するものとされている。

ここで、雑菌の大きさを１μｍ前後とすると、
１（Ｖ）／１×１０^−６（ｍ）＝１０ｋＶ／ｃｍ
となり、細胞に１Ｖの電圧をかけて死滅させるには、必要電界強度の下限値は１０ｋＶ／ｃｍであり、これ以上の印加電界強度であれば雑菌を死滅させることができる。

ここで、投入電気エネルギの算出方法について説明する。循環式の場合の典型的な実験条件を以下に示す。

印加電圧Ｖ：５８ｋＶ
有効処理時間 τ：４分（合計放電処理時間ｔ：１０分）
放電電流Ｉ：３１０Ａ
パルス幅 ΔＴ：１２０ｎｓ
パルス繰り返し数ｆ：６ｐｐｓ
溶液容量Ａ：２００ｍｌ
容器容量Ｂ：８０ｍｌ
循環流量 υ：２００ｍｌ／分
ここで、有効放電処理時間τは、合計放電時間ｔに容器容量と溶液容量の比Ｂ／Ａを掛けたものである。

投入電気エネルギＷは次の式により計算される。

Ｗ＝Ｉ・Ｖ・ｆ・τ・ΔＴ
また、単位体積当りの投入電気エネルギｗは、
ｗ＝Ｗ／Ｂ
で表される。以上により、
投入電気エネルギＷ：３１０７Ｊ（２ｐｐｓの場合は１０３６J）
単位体積当りの投入電気エネルギｗ：６２３８．８Ｊ／ｍｌとなる。

また、２ｐｐｓの場合は１２．９J／ｍｌとなる。

以上のように、本発明では、各種処理液媒体中へ印加する高電圧パルス条件を制御することにより、処理液媒体中の有用な成分や必要な成分には影響を与えずに、不必要な成分や微生物などを選択的に効果を与えて分解や殺菌といった処理を行うことができる。すなわち、処理液媒体中の必要成分の効果を維持しながら、媒体中に混在する微生物を殺菌することや不必要な成分を分解することができる。

本発明の方法に用いる高電圧パルス殺菌処理装置の概略を示す図である。本発明において、投入電気エネルギに対する有効物質（酵素）の残存活性度を示す図である。本発明において、繰り返しパルス数を変えたときの投入電気エネルギに対する微生物の生存率・殺菌率を示した図である。

符号の説明

１０処理容器
１１処理液媒体
１４アノード電極
１５カソード電極
１６パルス発生装置
１７パルス制御装置

Claims

酵素からなる有効物質が含まれた処理液媒体中に混入している雑菌としての微生物を選択的に殺菌する高電圧パルス制御による選択的液体処理方法であって、高電圧パルスが印加される５０ｍｌ又は８０ｍｌの処理容器内に処理液媒体を循環流量２００〜６００ｍｌ／分の循環流量で繰り返し循環し、かつ、処理液媒体中の有効物質の残存活性度８０％以上となる１００Ｊ／ｍｌ以上５００Ｊ／ｍｌ以下の範囲の投入電気エネルギで、かつ微生物の細胞膜に電気穿孔を形成して殺菌する高電圧パルスの電界強度を２５ｋＶ／ｃｍ以上、パルス半値幅１００〜１６０ｎｓとすると共に、前記投入電気エネルギの範囲内の条件で処理液媒体に前記高電圧パルスのパルス繰り返し数を２ｐｐｓ以上、６ｐｐｓ以下にした高電圧パルスを印加して、前記有効物質にダメージを与えずに雑菌としての微生物を殺菌することを特徴とする高電圧パルス制御による選択的液体処理方法。