JP5110493B1 - 排水の不活化方法及びシステム - Google Patents

Abstract

原水槽及びその内部に貯えた排水を経済的に不活化できる方法及びシステムを提供する。
原水槽１に貯えた排水Ａを不活化する方法において、排水Ａを入力して所定温度θに加熱しつつ所定時間Ｄ_１保持する加熱装置５の出口に放流路１２又は原水槽１へ選択的に接続する切替弁１５を設け、切替弁１５の放流路１２への接続時に加熱装置５を所定保持時間Ｄ_１で所定滅菌レベルが得られる高滅菌温度θ_１に加熱して入力排水Ａを不活化し、切替弁１５の原水槽１への接続時に加熱装置５の出力排水Ｆの還流により原水槽１を低滅菌温度θ_２に加熱し且つその低滅菌温度θ_２を前記所定滅菌レベルが得られる時間Ｄ_２以上保持して原水槽１内の排水を不活化する。好ましくは、加熱装置５の出力排水Ｆの還流によって原水槽１の気相部を含む内側全体を低滅菌温度θ_２以上に加熱する。
【選択図】図１

Description

本発明は排水の不活化方法及びシステムに関し、とくに微生物（細菌、糸状菌、酵母、らん藻、原生動物、ウィルス・ファージ、プリオン等から選択された１以上のものを含む。以下、同じ）の存在が懸念される排水（以下、微生物含有排水ということがある）を不活化する方法及びシステムに関する。

ワクチンやバイオ製剤等の製薬工場又は研究所、細胞培養を利用する製薬工場や食品工場又は研究所、血液製剤工場、病院等の施設では、感染の懸念される微生物が排水に随伴して施設外に漏出・拡散するのを防ぐため、施設外へ排出する前に排水中の微生物を滅菌（以下、不活化ということがある）することが求められる。オートクレーブ（高圧蒸気滅菌装置）や薬品消毒等を用いて不活化することも可能であるが、比較的小さな熱交換器を用いて排水を連続的に不活化できる加熱滅菌は経済的に有利であり、薬品では充分に不活化できない微生物にも加熱温度を高めることで対応できる利点がある。ただし、従来の加熱滅菌方法は、加熱時に固化変性した排水中の微生物その他の有機物が系内配管に沈殿・付着して閉塞を起こすおそれがあり、また何らかの異常（流量制御不調、ポンプ故障等）により加熱不充分な排水が生じると系内配管が広範囲にわたって未浄化の排水で汚染されてしまうおそれがあった。特許文献１〜３は、このような系内配管の閉塞や汚染を防止できる排水の加熱滅菌方法を提案している。以下、図４を参照して特許文献３の開示する加熱滅菌システムを、本発明の理解に必要な限度において説明する。

図４の加熱滅菌システムは、排水Ａを貯える原水槽１と、原水槽１の排水ＡのｐＨを調整するｐＨ調整装置４３と、原水槽１から排水Ａを取り入れて加熱滅菌する加熱装置５と、加熱装置５から出力される滅菌済排水Ｆを放流する放流路１２とを有する。加熱装置５は、例えば蒸気Ｇとの熱交換により排水Ａを所要滅菌温度（例えば１３５℃）に加熱する加熱器６と、加熱器６の出口に連通して加熱後の高温排水Ｅを滅菌に必要な所要時間（例えば９０秒）保持するホールディングチューブ等の保持管７とで構成されている。排水ＡをｐＨ調整装置４３により微生物の構成蛋白質が変性後も沈澱しないｐＨに調整したうえで加熱器６の入口へ送り、保持管７の出口から排出される滅菌済排水Ｆを適当に冷却して（放流水Ｈとして）放流路１２へ放流する。図示例のように排水のｐＨを調整したうえで加熱滅菌処理することにより系内配管における蛋白質の沈澱を有効に抑制できる。

また図４の加熱滅菌システムは、保持管７の出口に連なる高温流路１３ａ、１３ｂと加熱器６の入口に連なる低温流路１４ａ、１４ｂとを有する予熱器１１ａ、１１ｂを設け、原水槽１からの低温の排水Ａを保持管７から排出される高温の滅菌済排水Ｆとの熱交換で昇温している。更に洗浄液Ｉを貯える洗浄液槽３０を設け、予熱器１１ａの低温流路１４ａの入口を選択的に原水槽１又は洗浄液槽３０へ接続する入口選択弁２０と、予熱器１１ａの高温流路１３ａの出口を選択的に放流路１２、原水槽１又は洗浄液槽３０へ接続する出口選択弁２５と、入口選択弁２０及び出口選択弁２５の切り替えを制御する制御装置４１とを設けている。

排水Ａの不活化処理時に、制御装置４１により入口選択弁２０を原水槽１へ接続すると共に出口選択弁２５を放流路１１へ接続し、原水槽１の排水Ａを予熱器１５ａ、１５ｂ経由で昇温しながら加熱器６へ送り、保持管７で所定時間保持した高温の滅菌済排水Ｆを予熱器１５ｂ、１５ａ経由で冷却しながら放流路１１から系外（例えば下水道）へ放流する。予熱器１５において加熱装置５の出力排水Ｆの余熱を利用して入力排水Ａを昇温することにより、加熱滅菌に必要なランニングコストの低減を図ることができる。また、加熱器６の出口に設けた温度計８で加熱不足を検出した時に、入口選択弁２０を洗浄液槽３０に切り替えると共に出口選択弁２５を原水槽１に切り替え、系内に洗浄液Ｉを送入して残留排水を押し出すことにより原水槽１へ返送する。更に、残留排水が全て原水槽１に返送されたのち、出口選択弁２５を洗浄液槽３０に接続替えして系内に洗浄液Ｉを還流・循環させる。この洗浄液Ｉの系内循環により、加熱不充分な排水で汚染された系内配管（管路内に付着・沈着した微生物その他の有機物）を洗い流すことができる。

特開２００１−３４０８４４号公報 特開２００３−１０３２５２号公報 特開２００３−１６４８５５号公報

高野光男・横山理雄「食品の殺菌−その科学と技術−」幸書房、１９９８年６月２５日発行、ｐｐ．３７−４９

図４の加熱滅菌システムによれば、変性固化した微生物の沈澱を避けながら大量の排水Ａを連続的且つ経済的に不活化処理することが可能であり、たとえ何らかの異常により加熱不足が発生しても未処理排水の系外への排出及び未処理排水による系内配管の汚染を防ぐことができ、しかも加熱温度が回復した時に排水の不活化処理を容易に再開することができる。しかし、図示例のシステムは原水槽１から加熱装置５へ送り出された排水Ａを不活化処理するものであり、原水槽１内の排水Ａを不活化処理することができない問題点がある。

例えば図４のシステムにおいて原水槽１に何らかの異常（原水槽内の沈殿物堆積、流量制御不調、ポンプ故障等）が発生して原水槽１を点検又は開放するときは、作業員が未処理排水Ａに接触するおそれがあり、また未処理排水Ａの飛沫が微生物を随伴して原水槽周辺の雰囲気中に拡散する懸念もあるため、点検又は開放前に原水槽１及びその内部の排水Ａを滅菌・不活化することが望ましい。この場合に従来のオートクレーブ（高圧蒸気滅菌装置）と同様に原水槽１を高温・高圧にして不活化する方法も考えられるが、そのような方法では原水槽１自体を高温・高圧に耐えられる構造としなければならず、しかも新たな熱源を用いて原水槽１を加熱し続けるコストが必要となる。排水Ａを経済的に不活化できるという加熱滅菌の利点を損なうことなく、原水槽１及びその内部の排水Ａを経済的に不活化することができる技術の開発が望まれている。

そこで本発明の目的は、原水槽及びその内部に貯えた排水を経済的に不活化できる方法及びシステムを提供することにある。

本発明者は、図４の加熱滅菌システムにおいて、加熱装置５から出力される滅菌済排水Ｆの余熱を利用して原水槽１を加熱滅菌処理することに着目した。滅菌済排水Ｆを利用して原水槽１を加熱すれば、新たな熱源を必要としないので経済的な滅菌処理が期待できる。また、比較的小さな加熱装置５の出力排水Ｆの余熱によって比較的大きな原水槽１を同様の高温度にまで加熱することは容易でないが、原水槽１の加熱温度が低い場合であってもその加熱温度の保持時間を長くすれば加熱装置５と同様の不活化レベル（以下、滅菌レベルということがある）が得られることに着目した。

すなわち、一般に加熱による排水中の微生物数（生菌数）Ｎの減少速度（死滅速度）は、死滅速度定数ｋ（単位時間当たりの死滅確率）［ｍｉｎ^−１］を用いて（１）式のように表すことができ、初期生菌数Ｎ_０を用いた積分により（２）式のように変形することができる。（２）式を２次元平面にプロットすると図５（Ａ）の死滅曲線となり、その曲線の傾きから排水中の微生物数（生菌数）Ｎが１０分の１に減少する加熱保持時間Ｄ［ｍｉｎ］（以下、Ｄ値ということがある）を求めることができる。また、一般に加熱による排水中の微生物全滅時間（熱死滅時間、ＴＤＴ）は加熱温度θの上昇に伴って対数的に小さくなることが知られており、熱死滅時間ＴＤＴはＤ値と比例関係にあると考えられている。従って、Ｄ値と温度θとの関係は（３）式又は図５（Ｂ）の耐熱性曲線として表すことができ、その曲線からＤ値を１０分の１に短縮するために必要な上昇温度Ｚ［℃］（以下、Ｚ値ということがある）を求めることができる（非特許文献１参照）。

ｄＮ／ｄｔ＝−ｋＮ ………………………………………………………（１）
ｌｏｇ（Ｎ／Ｎ_０）＝−（ｋ／２．３０３）ｔ＝−（１／Ｄ）ｔ ……（２）
ｌｏｇ（Ｄ）＝−（１／Ｚ）θ＋Ｃ ……………………………………（３）
ｌｏｇ（Ｄ_１／Ｄ_２）＝−（θ_１−θ_２）／Ｚ ……………………………（４）

（３）式のＺ値は微生物の菌種毎に定まる値であり、不活化対象の微生物のＺ値が分かれば（４）式に示すように異なる滅菌温度θ_１、θ_２において同じ滅菌レベルを得るために必要な加熱保持時間Ｄ_１、Ｄ_２を算出することができる。例えば、不活化対象の微生物がＺ値＝１０℃である場合、日本の食品衛生法に規定された「滅菌温度θ_１＝１２０℃で保持時間Ｄ_１＝４分間にわたる加熱」と同様の滅菌レベルを得るために、（４）式に基づき滅菌温度θ_２＝１１０℃では保持時間Ｄ_２＝４０分間（＝４分×ｌ０^１）とし、滅菌温度θ_２＝１００℃では保持時間Ｄ_２＝４００分間（＝４分×ｌ０^２）とし、滅菌温度θ_２＝９０度では保持時間Ｄ_２＝４０００分間（＝４分×ｌ０^３）とすればよい。上述したように原水槽１を加熱装置５に比して低い温度までしか加熱できない場合でも、その低い温度に応じた加熱保持時間を（４）式により求めて適用すれば、加熱装置５と同様のレベルまで原水槽１を不活化することが期待できる。本発明は、この知見に基づく研究開発の結果、完成に至ったものである。

図１を参照するに、本発明による排水の不活化方法は、原水槽１に貯えた排水Ａを不活化する方法において、排水Ａを入力して所定温度θに加熱しつつ所定時間Ｄ_１保持する加熱装置５の出口に放流路１２又は原水槽１へ選択的に接続する切替弁１５を設け、切替弁１５の放流路１２への接続時に加熱装置５を所定保持時間Ｄ_１で所定滅菌レベルが得られる高滅菌温度θ_１に加熱して入力排水Ａを不活化し、切替弁１５の原水槽１への接続時に加熱装置５の出力排水Ｆの還流により原水槽１を低滅菌温度θ_２に加熱し且つその低滅菌温度θ_２を前記所定滅菌レベルが得られる時間Ｄ_２以上保持して原水槽１内の排水を不活化してなるものである。

また図１を参照するに、本発明による排水の不活化システムは、排水Ａを貯える原水槽１、排水Ａを入力して所定温度θに加熱しつつ所定時間Ｄ_１保持する加熱装置５、加熱装置５の出口を放流路１２又は原水槽１へ選択的に接続する切替弁１５、及び切替弁１５の放流路１２への接続時に加熱装置５を所定保持時間Ｄ_１で所定滅菌レベルが得られる高滅菌温度θ_１に加熱して入力排水Ａを不活化し、切替弁１５の原水槽１への接続時に加熱装置５の出力排水Ｆの還流により原水槽１を低滅菌温度θ_２に加熱し且つその低滅菌温度θ_２を前記所定滅菌レベルが得られる時間Ｄ_２以上保持して原水槽１内の排水を不活化する制御装置４０を備えてなるものである。

好ましくは、制御装置４０に、所定滅菌レベルが得られる高滅菌温度θ_１及びその保持時間Ｄ_１と排水Ａ中の微生物数が１０分の１に滅菌される保持時間Ｄを１０分の１に短縮するための上昇温度Ｚとを記憶する記憶手段４５、及びその保持時間Ｄ_１と上昇温度Ｚとから（４）式により前記低滅菌温度θ_２で所定滅菌レベルが得られる保持時間Ｄ_２を求める算出手段を含める。また、切替弁１５の原水槽１への接続時に、加熱装置５の出力排水Ｆの還流によって原水槽１の気相部を含む内側全体を低滅菌温度θ_２以上に加熱することが望ましい。

更に好ましくは、図１に示すように、原水槽１と加熱装置５との間に、加熱装置５の出力排水Ｆを通す高温流路１３と加熱装置５の入力排水Ａを通す低温流路１４とを有し且つ高温流路１３の出力排水Ｆで低温流路１４の入力排水Ａを昇温する予熱器１１を設け、切替弁１５を加熱装置５の出口と予熱器１１との間に設ける。望ましくは、予熱器１１の低温流路１４の入口に原水槽１又は洗浄液槽３０へ選択的に接続する入力選択弁２０を設け、予熱器１１の高温流路１３の出口に放流路１２、原水槽１又は洗浄液槽３０へ選択的に接続する出力選択弁２５を設け、制御装置４０により、原水槽１内の排水の不活化終了後に切替弁１５を放流路１２に切り替えると共に入口選択弁２０及び出口選択弁２５をそれぞれ洗浄液槽３０に接続してシステム内に洗浄液Ｉを還流させ、加熱装置５を高滅菌温度θ_１に加熱したのち入口選択弁２０及び出口選択弁２５をそれぞれ原水槽１及び放流路１２に切替えて入力排水Ａの不活化を再開する。

本発明による排水の不活化方法及びシステムは、排水Ａを入力して所定温度θに加熱しつつ所定時間Ｄ_１保持する加熱装置５の出口に、滅菌前排水Ａを貯える原水槽１又は滅菌済排水Ｆの放流路１２へ選択的に接続する切替弁１５を設け、切替弁１５の放流路１２への接続時に原水槽１から加熱装置５へ排水Ａを入力すると共に制御装置４０によって加熱装置５を所定保持時間Ｄ_１で所定滅菌レベルが得られる高滅菌温度θ_１に加熱して入力排水Ａを不活化し、切替弁１５の原水槽１への接続時に加熱装置５の出力排水Ｆの還流により原水槽１を低滅菌温度θ_２に加熱すると共に制御装置４０によってその低滅菌温度θ_２を所定滅菌レベルが得られる時間Ｄ_２以上保持して原水槽１内の排水を不活化するので、次の有利な効果を奏する。

（イ）加熱装置５から出力される滅菌済排水Ｆを原水槽１に還流させて原水槽１を加熱することにより、加熱装置５へ送り出された排水Ａだけでなく、原水槽１及びその内部の排水Ａも加熱滅菌処理により不活化することができる。
（ロ）また、原水槽１に残った排水Ａを加熱装置５との間で還流させて原水槽１を加熱するので、新たな熱源を用いることなく比較的小さなランニングコストで原水槽１を経済的に加熱滅菌処理することができる。
（ハ）加熱するに際して原水槽１を高温・高圧に耐えられる構造とする必要がないので、原水槽１を例えば樹脂水槽、パネルタンク等の合理的で安価な構造とすることができる。
（ニ）原水槽１の加熱温度θ_２を加熱装置５の加熱温度θ_１に比して低く抑え、原水槽１の加熱保持時間Ｄ_２を加熱装置５の加熱保持時間Ｄ_１に比して長くすることにより、比較的小さな加熱装置５の昇温エネルギーで比較的大きな原水槽１を同様の滅菌レベルまで加熱滅菌処理することができる。
（ホ）加熱装置５の出力排水Ｆの還流によって原水槽１を加熱することにより、原水槽１内の排水Ａだけでなく揮発する蒸気で気相部を含む内側全体を低滅菌温度θ_２以上に加熱することができ、原水槽１の全体を確実に所定滅菌レベルとすることができる。
（ヘ）原水槽１の滅菌処理終了後に系内配管に洗浄液を充填して循環させ、その洗浄液を加熱装置で所定温度θに加熱しながら原水槽１の排水Ａと置き換えることにより、排水Ａの不活化処理を容易に再開することができる。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態及び実施例を説明する。
は、本発明による不活化システムの一実施例の図式的ブロックである。 は、加熱装置の出力排水の還流により原水槽を加熱した実験結果を示すグラフの一例である。 は、本発明による不活化方法を示す流れ図の一例である。 は、従来技術の加熱滅菌システムの一例を示す図式的ブロックである。 は、一般的な加熱滅菌モデルにおける死滅曲線（同図（Ａ））のＤ値及び耐熱性曲線（同図（Ｂ））のＺ値の説明図である。

図１は、インフルエンザワクチンの製薬工場からの排水Ａに本発明の不活化システムを適用した実施例を示す。図示例の不活化システムは、この場合インフルエンザウィルスが含まれる微生物含有排水Ａを貯える原水槽１と、その排水Ａを入力して所要滅菌温度θに加熱しつつ所定時間Ｄ_１保持して不活化する加熱装置５と、加熱装置５の出口を放流路１２又は原水槽１へ選択的に接続する切替弁１５と、その加熱装置５の滅菌温度θ及び切替弁１５の切り替えを制御する制御装置４０とを有する。加熱装置５は、図４と同様に、例えば蒸気Ｇとの熱交換により排水Ａを所要滅菌温度θに加熱する加熱器６と、加熱した高温排水Ｅを所要時間Ｄ_１以上保持して滅菌するホールディングチューブ等の保持管７とで構成することができる。また図示例の制御装置４０は、加熱器６の出口温度を検出する温度計８と、加熱器６に供給する蒸気Ｇの流量を調節する制御弁１０とに接続されており、温度計８の検出温度に応じて流量制御弁１０の開度を調節することにより加熱器６の滅菌温度θを制御することができる。切替弁１５の一例は一対の開閉弁１６、１７からなる装置であり、弁１６の開放又は閉鎖時に弁１７を閉鎖又は開放するものである。

また図示例の不活化システムは、原水槽１と加熱装置５との間に、加熱装置５の出力排水Ｆを通す高温流路１３と加熱装置５の入力排水Ａを通す低温流路１４とを有する予熱器１１を設け、その予熱器１１と加熱装置５の出口との間に切替弁１５を設けている。予熱器１１の高温流路１３と低温流路１４との間の伝熱（熱交換）により、システム全体における入力排水Ａの加熱及び出力排水Ｆの冷却に必要なエネルギーを節減してランニングコストを低く抑えることができる。なお、図示例は１段構成の予熱器１１を示しているが、高温流路１３と低温流路１４との間の熱交換に温度分布ムラを生じるおそれがあるときは図４の予熱器１１ａ、１１ｂのように２段構成とし、或いは３段以上（任意段数）の予熱器に変更することも可能である。

一般に予熱器１１の熱交伝面が大きくなると偏流が起こりやすくなり、熱伝達力が下がって温度分布ムラを生じやすくなり、滅菌温度まで加熱できない部分（加熱不足）を生じる原因となる。本発明者の実験的解析によると、予熱器１１の低温流路１４の入口温度と高温流路１３の出口温度との温度差ΔＴ_１に対する低温流路１４の上昇温度又は高温流路１３の下降温度ΔＴ_２（交換温度差）の比（＝ΔＴ_２／ΔＴ_１）が４より大きくなると温度分布ムラを生じやすくなる。例えば原水槽１内の排水Ａを３０℃とし、加熱器６の入力温度を１２０℃とし、加熱器６による滅菌温度（出力温度）θを１３５℃とし、放流路１２の放流温度を４５℃とすると、予熱器１１が１台であると交換温度差ΔＴ_２は９０℃（＝１２０−３０）であり、低温流路１４の入口温度（３０℃）と高温流路１３の出口温度（４５℃）との温度差ΔＴ_１は１５℃（＝４５−３０）であるから、その比ΔＴ_２／ΔＴ_１は６（＝９０／１５）となり温度分布ムラの発生が懸念される。

図１のシステムにおいて１台の予熱器１１で温度分布ムラを生じるおそれがあるときは、図４と同様に予熱器１１ａ、１１ｂを２段構成とし、各予熱器１１ａ、１１ｂにおける前記比ΔＴ_２／ΔＴ_１を４以下、好ましくは３程度とすることにより温度分布ムラの発生を予防する。たとえば、前述した温度条件において２段の予熱器１１ａ、１１ｂの中間点の高温流路１３、低温流路１４をそれぞれ９０℃、７５℃となるように構成すれば、予熱器１１ｂにおいて前記比ΔＴ_２／ΔＴ_１＝（１２０−７５）／（９０℃−７５℃）＝３となり、予熱器１１ａにおいてΔＴ_２／ΔＴ_１＝（９０−４５）／（４５℃−３０℃）＝３となるので、何れの予熱器においても温度分布ムラの発生を予防することができる。なお、本発明において予熱器１１及び加熱器６として用いる熱交換器の種類にとくに制限はないが、スケールが付着しにくくメンテナンスが容易な熱交換器とすることが望ましく、例えば高温流路１３及び低温流路１４が何れも渦巻き状であるスパイラル式熱交換器とすることが望ましい。

図１のシステムにおいて原水槽１が正常であるときは、図４の場合と同様に、制御装置４０により切替弁１５を放流路１２に接続すると共に、保持管７における所要時間Ｄ_１の保持により所定滅菌レベル（例えば初期生菌数Ｎ_０に対する滅菌後の微生物数（生菌数）Ｎの生存割合（＝Ｎ／Ｎ_０）が１００万分の１（１０^−６）以下となる６桁滅菌レベル）が得られるように加熱器６の滅菌温度θ_１を制御装置４０によって設定する（図３のステップＳ２０４〜２０７参照）。例えばインフルエンザウィルスを含む排水Ａを不活化する場合は、保持時間Ｄ_１が３０秒以上の保持管７を用いると共に加熱器６を滅菌温度θ_１＝９６℃に設定することにより、６桁以上の滅菌レベルを確保できる。切替弁１５及び加熱器６を設定したうえで、原水槽１から予熱器１１経由で加熱装置５へ排水Ａを供給し、加熱装置５に入力された排水Ａを滅菌温度θ_１に加熱しつつ所定時間Ｄ_１保持することにより不活化し、不活化された滅菌済排水Ｆを切替弁１５及び予熱器１１経由で放流路１２へ送り、例えば系外の下水路等へ放流する。

他方、図１のシステムにおいて原水槽１に異常が発生したときは、原水槽１から加熱装置５へ排水Ａの供給を維持しながら、制御装置４０により切替弁１５を原水槽１に切替え、加熱装置５の出力排水Ｆ（滅菌済排水Ｆ）を原水槽１へ還流させることにより、原水槽１を比較的低い滅菌温度θ_２に加熱する。また制御装置４０により、上述した加熱装置５の比較的高い滅菌温度θ_１及び保持時間Ｄ_１と、排水Ａ中の微生物数が１０分の１に滅菌される保持時間Ｄを１０分の１に短縮するための上昇温度Ｚ（上述した（３）式のＺ値）とから、比較的低い滅菌温度θ_２において加熱装置５と同様の滅菌レベル（例えば６桁滅菌レベル）を得るために必要な保持時間Ｄ_２を求める。例えば制御装置４０を記憶手段４５及び算出手段４６が設けられたコンピュータとし、その記憶手段４５に加熱装置５の高滅菌温度θ_１及び保持時間Ｄ_１と排水Ａ中の微生物（図示例ではインフルエンザウィルス）のＺ値とを記憶し、上述した（４）式に基づき原水槽１の滅菌温度θ_２において加熱装置５と同様の滅菌レベルが得られる保持時間Ｄ_２を算出手段４６で算出する。

例えばインフルエンザウィルス含有排水Ａの原水槽１を滅菌処理する場合は、インフルエンザウィルスのＺ値が約７．７であり、上述したように滅菌温度θ_１＝９６℃、保持時間Ｄ_１＝３０秒で６桁以上の滅菌レベルが得られることから、加熱装置５の出力排水Ｆの還流により原水槽１を滅菌温度θ_２＝８０℃程度まで加熱し、（４）式により保持時間Ｄ_２＝６０分（≒０．５分×１０^２．０８）、２．０８≒（９６−８０）／７．７）に設定して排水Ｆの還流を継続すれば、原水槽１において加熱装置５と同様の６桁以上の滅菌レベルを確保することができる（図３のステップＳ２１１〜２１４参照）。

加熱装置５からの高温出力排水Ｆの還流によって原水槽１を加熱することにより、原水槽１内の排水Ａだけでなく揮発する蒸気によって原水槽１の気相部を含む内側全体を低滅菌温度θ_２以上とすることができ、加熱不足部位の発生を避けることができる。好ましくは、出力排水Ｆの還流を開始したのち原水槽１の気相部全体に蒸気が揮発して回り込む時間を確保して内側全体を低滅菌温度θ_２以上とし、その回り込み時間の経過後に上述した保持時間Ｄ_２を更に確保して原水槽１の内側全体を所要滅菌レベル（例えば６桁滅菌レベル）とする。望ましくは、原水槽１の気相部に温度計１８を取り付け、その温度計１８により原水槽１が滅菌温度θ_２に加熱されたことを検知し、その検知後に上述した保持時間Ｄ_２を確保して所要滅菌レベルとする。図１の制御装置４０は、原水槽１の気相部を含む複数部位に取り付けた温度計１８ａ、１８ｂと接続されており、何れの温度計１８ａ、１８ｂも滅菌温度θ_２以上となるときに原水槽１が滅菌温度θ_２に加熱されたと検知している。ただし、本発明は複数の温度計１８を必須とするものではなく、たとえば原水槽１の蒸気が最も回り込みにくい内側部位に取り付けた単独の温度計１８を用いれば足り、或いは原水槽１の気相部全体に蒸気が回り込む時間を予め求めておけば温度計１８を省略することもできる。

［実験例１］
液相部、気相部、及び複数のノズル部の各々にそれぞれ温度計１８を取り付けた原水槽１（全容積２７．５ｍ^３、有効容積２０ｍ^３）に約８ｍ^３の排水Ａを貯え、その原水槽１から加熱装置５に供給して滅菌温度θ_１＝９６℃、保持時間Ｄ_１＝３０秒で不活化処理された出力排水Ｆを原水槽１に還流させ、その還流開始後の原水槽１の各部位における温度計１８の経時的温度変化を計測する実験を行った。実験結果を図２のグラフに示す。図２のグラフは、原水槽１の液相部（排水Ａ）は排水Ｆの還流開始後約８．５時間で目的温度＝８０℃に達するのに対し、原水槽１の気相部及びノズルの一部分が目的温度＝８０℃に達するには排水Ｆの還流開始後約２５時間が必要であることを示している。この実験結果から、原水槽１の気相部は温度がとくに上昇しにくく、原水槽１内の加熱不足部位の発生を避けるためには原水槽１の気相部に温度計１８を取り付けて温度を検知することが有効であることを確認できた。或いは図２のグラフから、排水Ｆの還流を開始したのち２５時間を確保すれば、原水槽１の内側全体に蒸気を回り込ませて低滅菌温度θ_２以上とすることができるので、温度計１８を省略できることを確認できた。

原水槽１を滅菌温度θ_２に設定時間Ｄ_２保持して所定滅菌レベルとしたのち、必要に応じて加熱装置５からの出力排水Ｆの還流を停止して原水槽１を点検・開放・修理する（図３のステップＳ２１５参照）。原水槽１を所定レベルまで滅菌したうえで点検・開放することにより、周辺雰囲気中への微生物の拡散を防止し、点検・修理作業員が未処理排水Ａに接触する危険も避けることができる。原水槽１の点検・修理が完了したのち排水Ａの不活化処理を再開するときは、再び上述したように制御装置４０によって切替弁１５を放流路１２に接続すると共に加熱器６を滅菌温度θ_１に設定し、原水槽１から加熱装置５への排水Ａの供給を再開する。

本発明によれば、加熱装置５の出力排水Ｆを原水槽１へ還流することにより、原水槽１から加熱装置５に入力した排水Ａだけでなく、原水槽１及びその内部の排水Ａをも加熱滅菌処理することができる。また、原水槽１の残存排水Ａの還流によって原水槽１を加熱するので、新たな熱源を用いることなく小さなランニングコストで原水槽１を経済的に不活化することができる。更に、加熱装置５の滅菌温度θ_１に比して原水槽１の滅菌温度θ_２を低く抑え、比較的長い加熱保持時間Ｄ_２をかけて原水槽１を加熱滅菌することにより、原水槽１の昇温エネルギーを小さく抑えつつ加熱装置５と同程度の滅菌レベルまで原水槽１を不活化することができる。従って、原水槽１を高温・高圧に耐えられる構造とする必要がなくなり、例えば樹脂水槽、パネルタンク等の合理的で安価な構造の原水槽１とすることも可能となる。

こうして、本発明の目的である「原水槽及びその内部に貯えた排水を経済的に不活化できる方法及びシステム」の提供が達成できる。

なお、図１の不活化システムにおいても、図４の場合と同様に洗浄液Ｉを貯える洗浄液槽３０を設け、予熱器１１の低温流路１４の入口を選択的に原水槽１又は洗浄液槽３０へ接続する入口選択弁２０と、予熱器１１の高温流路１３の出口を選択的に放流路１２、原水槽１又は洗浄液槽３０へ接続する出口選択弁２５とを設け、制御装置４０により入口選択弁２０及び出口選択弁２５の切り替えを制御することができる。図１の不活化システムにおいて、排水Ａの不活化処理中に加熱器６の温度不足が発生した時は、入口選択弁２０を洗浄液槽３０に切り替えると共に出口選択弁２５を原水槽１に切り替えて系内の残留排水を原水槽１へ押し出し、更に出口選択弁２５を洗浄液槽３０に接続替えして系内に洗浄液Ｉを還流・循環させることにより、未処理排水で汚染された系内配管を洗浄することができる。また後述するように、上述した排水Ａの還流・循環による原水槽１の不活化処理終了後に入口選択弁２０及び出口選択弁２５をそれぞれ洗浄液槽３０に接続してシステム内に洗浄液Ｉを還流させ、そののち加熱装置５を高滅菌温度θ_１に保持しつつ入口選択弁２０及び出口選択弁２５をそれぞれ原水槽１及び放流路１２に切替えて排水Ａの不活化処理時を再開することにより、原水槽１の加熱滅菌処理から排水Ａの不活化処理を容易に再開することが可能となる。

３０ｍ^３／日のインフルエンザウィルスを含む排水Ａを１０時間で不活化処理することを想定して図１に示す不活化システムを試設計し、図３の流れ図に沿って原水槽１及びその内部の排水Ａの加熱滅菌処理が可能であることを確認する実験を行った。図３の流れ図では、先ずステップＳ２０１において切替弁１５を放流路１２に接続すると共に入口選択弁２０及び出口選択弁２５をそれぞれ洗浄液槽３０へ接続し、スタートアップ時の系内配管に洗浄液Ｉを還流・循環させる。図示例は、洗浄液Ｉとして水酸化ナトリウムと硝酸（又はスルファミン酸等の無機酸やクエン酸等の有機酸）を使用し、その洗浄液Ｉを洗浄液槽３０から入口選択弁２０、ポンプ３、流量調節器４、予熱器１１を介して加熱装置５へ投入し、加熱装置５から出力された洗浄液Ｉを切替弁１５、予熱器１１、出力選択弁２５を介して洗浄液槽３０へ戻すことにより還流・循環させた。ステップＳ２０２において制御装置４０により所要時間Ｄ_１＝３０秒で所定滅菌レベル（例えば６桁滅菌レベル）が得られるように加熱器６の滅菌温度θ_１＝９６℃を設定し、ステップＳ２０３において温度計８による加熱器６の出口温度を制御装置４０で検出しながら洗浄液Ｉの循環を継続した。加熱器６の出口温度不足の検出時は、ステップＳ２０３からステップＳ２０２に戻って蒸気流量制御弁１０の開閉により洗浄液Ｉの温度を調整した。

次いでステップＳ２０４において入口選択弁２０を原水槽１に切り替えると共に出力選択弁２５を放流路１２に切り替え、ステップＳ２０５において加熱器６を滅菌温度θ_１＝９６℃に維持しながら原水槽１の排水Ａを系内に流入させて洗浄液Ｉと置換した。本設計の保持管７において３０秒の保持時間Ｄ_１が確保できる最大流量は１５０リットル／分であることから、排水Ａの流入を初期流量＝１５０リットル／分で開始したところ、ステップ２０６において温度計８の指示温度（加熱器６の出口温度）は流入当初から９６℃であった。すなわち、従来の加熱滅菌処理では排水Ａの流入初期段階において加熱器６の加熱不足が生じやすく、加熱不足が生じないように流量調節器１２等で初期流量を調節しなければならなかったが、図３のステップＳ２０１〜Ｓ２０６のように洗浄液Ｉを系内配管に還流・循環させて予め加熱したのち排水Ａを流入させて洗浄液Ｉと置換するスタートアップ処理とすることにより、排水Ａの流入初期段階における加熱不足の発生等を避けられることが確認できた。ステップＳ２０７において排水Ａの不活化処理を終了するか否かを判断し、不活化処理を継続する場合はステップＳ２０５へ戻って排水Ａの流入を継続する。

排水Ａの不活化処理の継続中に何らかの異常が発生し、ステップＳ２０６において加熱不足が検出されたときは、ステップ２０８へ進んで加熱不足の原因の調査・修理を行い、原水槽１の点検・開放が必要か否か（原水槽１の滅菌処理が必要か否か）を判断する。原水槽１の滅菌処理を必要としない場合はステップＳ２０９へ進み、入口選択弁２０の弁２１を閉鎖して排水Ａの流入を停止すると共に、出口選択弁２５の弁２６を閉鎖して排水Ａの系外への放流を停止する。次いでステップＳ２１０において、図４の場合と同様に入口選択弁２０の弁２２を開放して洗浄液Ｉを系内に送入すると共に、出口選択弁２５の弁２７を開放して系内の残留排水を原水槽１へ押し出し、更にステップＳ２０１へ戻って出口選択弁２５を洗浄液槽３０に接続替えして系内に洗浄液Ｉを還流・循環させる。

ステップＳ２０８において原水槽１の点検・開放が必要であると判断したときはステップＳ２１１へ進み、上述した加熱装置５の比較的高い滅菌温度θ_１及びその保持時間Ｄ_１と、排水Ａ中の微生物数が１０分の１に滅菌される保持時間Ｄを１０分の１に短縮するための上昇温度Ｚ（上述した（３）式のＺ値）とから、原水槽１を加熱装置５と同様の滅菌レベル（例えば６桁滅菌レベル）とするために必要な低滅菌温度θ_２及びその保持時間Ｄ_２（例えば滅菌温度θ_２＝８０℃、保持時間Ｄ_２＝６０分）を設定する。次いでステップＳ２１２〜２１４において、原水槽１から加熱装置５への排水Ａの供給を維持しながら切替弁１５を原水槽１に切替え、加熱装置５の出力排水Ｆを原水槽１へ還流させて原水槽１を滅菌温度θ_２に加熱し、更に保持時間Ｄ_２が経過するまで切替弁１５を維持することにより、原水槽１及びその内部の排水Ａを所定滅菌レベルに不活化する。原水槽１を所定レベルに加熱滅菌したのち、ステップＳ２１５において排水Ａの還流を停止すると共に原水槽１を開放・点検・修理し、その後ステップＳ２０１へ戻って入口選択弁２０及び出口選択弁２５をそれぞれ洗浄液槽３０に接続して系内に洗浄液Ｉを還流・循環させる。

図３の流れ図において原水槽１の加熱滅菌処理（ステップＳ２１１〜Ｓ２１５）からステップ２０１に戻り、更にステップＳ２０１〜２０６を繰り返して排水Ａの不活化処理再開後に排出された滅菌済排水Ｆ中の生菌数を計測したところ、排水Ａの６桁滅菌が確保できていることを確認できた。すなわち、図３の流れ図に沿って原水槽１の加熱滅菌処理後に洗浄液Ｉを系内に充填しながら排水Ａの不活化処理を再開すれば、再開時における加熱器６の加熱不足の発生も避けることができ、６桁滅菌を確保しながら排水Ａの不活化処理を再開するために極めて有効であることが確認できた。ステップ２０７において排水Ａの不活化処理を終了する時は、入口選択弁２０により排水Ａの流入を休止すると共に出口選択弁２５により排水Ｆの系外への放流を休止するが、不活化処理を容易に再開できるように、入口選択弁２０及び出口選択弁２５をそれぞれ洗浄液槽３０へ接続して休止時の系内配管内に洗浄液Ｉを還流・循環させておくことができる。

１…原水槽 ２…取水路
３…ポンプ ４…流量調節器
５…加熱装置 ６…加熱器
７…保持管 ８…温度計
９…圧力計 １０…流量制御弁
１１…予熱器 １１ａ…第一予熱器
１１ｂ…第二予熱器 １２…放流路
１３…高温流路 １４…低温流路
１５…切替弁 １６、１７…開閉弁
１８ａ、１８ｂ…温度計 ２０…入口選択弁
２１、２２…開閉弁 ２５…出口選択弁
２６、２７、２８…開閉弁 ３０…洗浄液槽
３１…洗浄液（水酸化ナトリウム）貯蔵タンク
３２…洗浄液濃度制御装置 ３３…濃度計（導電率計）
３４、３５…流量制御弁
４０…制御装置 ４１…滅菌制御装置
４２…加熱制御装置 ４３…ｐＨ調整装置
４５…記憶手段 ４６…算出手段
Ａ…排水 Ｂ、Ｃ…昇温排水
Ｅ…高温排水 Ｆ…滅菌済排水
Ｇ…蒸気 Ｈ…放流水
Ｉ…洗浄液 Ｗ…希釈水

Claims (10)

1. 原水槽に貯えた排水を不活化する方法において、前記排水を入力して所定温度に加熱しつつ所定時間Ｄ_１保持する加熱装置の出口に放流路又は原水槽へ選択的に接続する切替弁を設け、前記切替弁の放流路への接続時に加熱装置を所定保持時間Ｄ_１で所定滅菌レベルが得られる高滅菌温度θ_１に加熱して入力排水を不活化し、前記切替弁の原水槽への接続時に加熱装置の出力排水の還流により原水槽を低滅菌温度θ_２に加熱し且つその低滅菌温度θ_２を前記所定滅菌レベルが得られる時間Ｄ_２以上保持して原水槽内の排水を不活化してなる排水の不活化方法。
2. 請求項１の不活化方法において、前記低滅菌温度θ_２で所定滅菌レベルが得られる保持時間Ｄ_２を、前記所定滅菌レベルが得られる高滅菌温度θ_１及びその保持時間Ｄ_１と、前記排水中の微生物数が１０分の１に滅菌される保持時間Ｄを１０分の１に短縮するための上昇温度Ｚとから次式により求めてなる排水の不活化方法。
   ｌｏｇ（Ｄ _１ ／Ｄ _２ ）＝−（θ _１ −θ _２ ）／Ｚ
3. 請求項１又は２の不活化方法において、前記切替弁の原水槽への接続時に加熱装置の出力排水の還流により原水槽の気相部を含む内側全体を低滅菌温度θ_２以上に加熱してなる排水の不活化方法。
4. 請求項１から３の何れかの不活化方法において、前記原水槽と加熱装置との間に、前記加熱装置の出力排水を通す高温流路と加熱装置の入力排水を通す低温流路とを有し且つ高温流路の出力排水で低温流路の入力排水を昇温する予熱器を設け、前記切替弁を加熱装置の出口と予熱器との間に設けてなる排水の不活化方法。
5. 請求項４の不活化方法において、前記予熱器の低温流路の入口に原水槽又は洗浄液槽へ選択的に接続する入力選択弁を設け、前記予熱器の高温流路の出口に放流路、原水槽又は洗浄液槽へ選択的に接続する出力選択弁を設け、前記原水槽内の排水の不活化終了後に切替弁を放流路に切り替えると共に入口選択弁及び出口選択弁をそれぞれ洗浄液槽に接続してシステム内に洗浄液を還流させ、前記加熱装置を高滅菌温度θ_１に加熱したのち入口選択弁及び出口選択弁をそれぞれ原水槽及び放流路に切替えて入力排水の不活化を再開してなる排水の不活化方法。
6. 排水を貯える原水槽、前記排水を入力して所定温度に加熱しつつ所定時間Ｄ_１保持する加熱装置、前記加熱装置の出口を放流路又は原水槽へ選択的に接続する切替弁、及び前記切替弁の放流路への接続時に加熱装置を所定保持時間Ｄ_１で所定滅菌レベルが得られる高滅菌温度θ_１に加熱して入力排水を不活化し、前記切替弁の原水槽への接続時に加熱装置の出力排水の還流により原水槽を低滅菌温度θ_２に加熱し且つその低滅菌温度θ_２を前記所定滅菌レベルが得られる時間Ｄ_２以上保持して原水槽内の排水を不活化する制御装置を備えてなる排水の不活化システム。
7. 請求項６の不活化システムにおいて、前記制御装置に、前記所定滅菌レベルが得られる高滅菌温度θ_１及びその保持時間Ｄ_１と前記排水中の微生物数が１０分の１に滅菌される保持時間Ｄを１０分の１に短縮するための上昇温度Ｚとを記憶する記憶手段、及びその保持時間Ｄ_１と上昇温度Ｚとから次式により前記低滅菌温度θ_２で所定滅菌レベルが得られる保持時間Ｄ_２を求める算出手段を含めてなる排水の不活化システム。
   ｌｏｇ（Ｄ _１ ／Ｄ _２ ）＝−（θ _１ −θ _２ ）／Ｚ
8. 請求項６又は７の不活化システムにおいて、前記切替弁の原水槽への接続時に加熱装置の出力排水の還流により原水槽の気相部を含む内側全体を低滅菌温度θ_２以上に加熱してなる排水の不活化システム。
9. 請求項６から８の何れかの不活化システムにおいて、前記原水槽と加熱装置との間に、前記加熱装置の出力排水を通す高温流路と加熱装置の入力排水を通す低温流路とを有し且つ高温流路の出力排水で低温流路の入力排水を昇温する予熱器を設け、前記切替弁を加熱装置の出口と予熱器との間に設けてなる排水の不活化システム。
10. 請求項９の不活化システムにおいて、前記予熱器の低温流路の入口に原水槽又は洗浄液槽へ選択的に接続する入力選択弁を設け、前記予熱器の高温流路の出口に放流路、原水槽又は洗浄液槽へ選択的に接続する出力選択弁を設け、前記制御装置により、前記原水槽内の排水の不活化終了後に切替弁を放流路に切り替えると共に入口選択弁及び出口選択弁をそれぞれ洗浄液槽に接続してシステム内に洗浄液を還流させ、前記加熱装置を高滅菌温度θ_１に加熱したのち入口選択弁及び出口選択弁をそれぞれ原水槽及び放流路に切替えて入力排水の不活化を再開してなる排水の不活化システム。

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