JP5170509B2 - 殺虫殺菌方法及び殺虫殺菌装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマを用いた殺虫殺菌方法及び殺虫殺菌装置に関する。尚、殺虫とは昆虫を含む小動物を対象とするものである。また、殺菌とは、いわゆる微生物全般を対象とするものである。

収穫前後を問わず、農作物のいわゆる病害虫被害は現在においても重要な問題である。近年、モントリオール議定書によるオゾン破壊物質の削減の要請や、毒性物質や変異原性物質の回避、更にはアレルゲンの回避の点から、従来用いられてきた化学物質のうち、使用を控えるものが増えてきている。一方、例えば燻蒸処理には臭化メチルが未だに広く使われている。臭化メチルはモントリオール議定書により使用全廃が決定されたものの、特定の農作物の燻蒸に対しては有効な代替方法が確立されていないため、例外的に当分使用される予定である。

農作物を主たる対象とした、有機薬剤を用いない殺菌技術として、特許文献１にはオゾン水を用いた殺菌方法が、特許文献２にはクラスタイオンを用いた殺菌方法が開示されている。
特開２００６−２０４１０６号公報 特開２００６−０７５３５８号公報

特許文献１の方法は、減圧処理を必要とするものであり、連続的に大量の農作物等を処理するには必ずしも適さない。また、水に浸漬する必要があるので、対象物によっては採用することが困難な場合もある。特許文献２の方法は、当該記載によれば、１乃至数時間のイオン含有雰囲気での処理を必要とするものであり、連続的に大量の農作物等を処理するには適さない。

本発明者らは、高濃度のプラズマを発生させる装置の開発を手がけており、その応用分野として、農作物等に付着した菌類の除去や虫類の駆除に着目した。即ち、本発明の目的は、連続的に大量の農作物等を処理するのに適した、殺虫殺菌方法及び殺虫殺菌装置を提供することである。

請求項１に係る発明は、プラズマを用いた殺虫殺菌方法であって、一対の放電電極であって、少なくとも一方の電極に凹部を有する、ホローカソード効果を用いた非平衡大気圧プラズマ源を用い、主としてアルゴン原子を励起させて、一対の放電電極の電極間にアルゴンを流し、一対の放電電極の電極間から噴射されたアルゴンに、酸素を合流させて対象物に照射することを特徴とする殺虫殺菌方法である。本発明において対象物とは、殺虫すべき虫類、殺菌すべき菌類自体のほか、そのような虫類や菌類が付着した農作物、飼料、食品、器具その他を言うものとする。

請求項２に係る発明は、一対の放電電極の電極間から噴射されたアルゴンに、水を含んだ気体を合流させて対象物に照射することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、少なくとも一方の電極に凹部を有する一対の放電電極と、一対の放電電極の電極間にアルゴンを誘導する手段と、一対の放電電極の電極間から噴射されたアルゴンに、酸素及び／又は水を含んだ気体を合流させる手段とを有することを特徴とする殺虫殺菌装置である。

本発明の第１の特徴は、非平衡大気圧プラズマを用いた殺虫殺菌方法又は殺虫殺菌装置であることである。ここで非平衡プラズマは、電子温度がガス温度に比べて数桁以上も高い。非平衡プラズマは、数百Ｐａ以下の減圧下で実現されることが多いが、ジュール熱を抑制すれば大気圧下でも実施可能である。このためには放電電流の制限、パルス電流とする、電極間に誘電体を設ける、高速のガス流で冷却すると言った方法が知られている。高速のガス流で冷却することで、対象物を高温に曝すことも避けることができる。例えば対象物を６０℃以下に保てる。
本発明の第２の特徴は、ホローカソードプラズマを用いることである。ここでホロー（くぼみ）とは、カソード（陰極）となった電極の、対向面の凹部を指す。陰極となった電極から放出された電子が陽極に達する以前に陰極の当該凹部で往復運動をすることで、誘電体を電極間に挟んだバリヤ放電よりも１桁高い１０¹⁴〜１０¹⁵個／ｃｍ^-3台のプラズマ濃度が実現可能となる。
即ち、本発明は、ホローカソード効果を有する非平衡大気圧プラズマを用いるので、高電子密度を実現でき、ガス温度が常温付近且つ常圧であるので、真空装置を追加する必要がなく、農作物等の連続大量処理や乾式バッチ処理に向き、また、高速の殺虫殺菌が可能となる。

下記に示す通り、アルゴンを電極間に通して励起させ、対象物近傍で原子状酸素やヒドロキシルラジカルを発生させると良い。原子状酸素やヒドロキシルラジカルは寿命が短い化学種であるので、例えば電極近傍で生成したとしても、対象物に接近するまでに他の分子等と反応して、反応性の低い他の化学種に変化してしまう可能性がある。そこでアルゴンのみを電極間に通してアルゴン原子を励起させ、対象物近傍まで噴射により輸送した後、酸素分子や水分子と対象物近傍で反応させて原子状酸素やヒドロキシルラジカルを生成させると良い。この際、当該酸素分子や水分子は、対象物近傍の空気中に存在するものを用いても良いが、積極的に追加供給する構成とすると良い。原子状酸素やヒドロキシルラジカルは生物の細胞膜等に直接働きかけるので、菌類等の微生物や小動物である虫類は短時間に死滅することとなる。

本発明の殺虫対象及び殺菌対象は、果実や野菜その他に巣くう害虫全般、カビ、病原菌その他全般である。

ホローカソードプラズマとしては、本願出願人らによる特開２００６−１９６２１０号公報記載を参考にすると良い。大口径のウエハのような大面積にプラズマを供給する装置も公知である。

プラズマ発生源の構成は、非平衡大気圧プラズマであることと、電極がホロー（くぼみ）を有することのほかは任意である。一対の電極はいずれにもホロー（くぼみ）を形成して交流電位を印加する構成として良い。放電は、例えば１００Ｖ乃至数ｋＶの矩形交互電位を印加する構成として良い。

図１は本発明の具体的な一実施例に係る殺虫殺菌装置１００の構成を示す断面図である。殺虫殺菌装置１００は、１対の放電電極１ａ及び１ｂ、電圧印加装置２、アルゴン供給管３、ラジカル源供給管４、載置台５から成る。

１対の放電電極１ａ及び１ｂには各々対向面に凹部１ａｈ、１ｂｈを有する。１対の放電電極１ａ及び１ｂは電圧印加装置２に接続され、所定の放電電位が印加され、対向面の凹部１ａｈ及び１ｂｈ間に放電が生ずる。この際、１対の放電電極１ａ及び１ｂのうち、陰極となった側の凹部１ａｈ又は１ｂｈにおいて、ホローカソード効果が生じ、高電子濃度となる。

アルゴン供給管３の一端３ｉは、適当な圧力制御器を介して図示しないアルゴンボンベに接続される。アルゴン供給管３は内径１ｍｍ、外径２ｍｍである。アルゴン供給管３の他端３ｏは、１対の放電電極１ａ及び１ｂの間近に配置される。こうして、アルゴン供給管３の一端３ｉからアルゴンを供給し、電圧印加装置２により１対の放電電極１ａ及び１ｂに所定の放電電位が印加されると、アルゴン供給管３の他端３ｏにおいて、ホローカソードプラズマＰが生じて下方に放出されるとなる。尚、ラジカル源供給管４は内径４ｍｍである。また、電圧印加装置２としては、ネオントランスを接続した、最大電圧６０００Ｖ、最大短絡電流は２４ｍＡを発生可能なものを用いた。

そこで載置台５に、適当な上面の開いた容器Ｃに処理対象Ｓを載置すると、アルゴンのホローカソードプラズマＰが処理対象Ｓ表面に噴射されることとなる。処理対象Ｓ近傍の雰囲気が空気であったり、或いはラジカル源供給管４から酸素又は水（気化状態）を供給すれば、アルゴンのホローカソードプラズマＰとの反応により、酸素が原子状酸素に、水がヒドロキシルラジカルになる。こうして、高活性状態である原子状酸素やヒドロキシルラジカルが処理対象Ｓ表面に供給される。原子状酸素やヒドロキシルラジカルは生物の細胞膜等に直接働きかけるので、菌類等の微生物や小動物である虫類は短時間に死滅することとなる。

まず、殺菌効果を実験した。柑橘ミドリカビ病の病原菌であるミドリカビ（Ｐｅｎｉｃｉｌｌｉｕｍ ｄｉｇｉｔａｔｕｍ）を指標菌とした。界面活性剤Ｔｗｅｅｎ２０を０．１％添加したミドリカビ胞子の水性懸濁液を用意し、１８ｍｍ四方のカバーガラス上に０．０１ｍｌ添加する。

乾燥後、これを実施例１の殺虫殺菌装置１００で所定時間、殺菌処理した。この際、アルゴン供給管３の端３ｏからカバーグラスまでの距離を１０ｍｍとし、アルゴンの供給量は３Ｌ／分とした。尚、ラジカル源供給管４からは何も照射しない場合と、酸素を１Ｌ／分で供給した場合の２通り実験した。電圧印加装置２からは、±５００Ｖの矩形電位を周波数６０Ｈｚで印加した。放電電流は２０ｍＡであった。また、アルゴンは供給量が多いため加熱が抑制され、カバーグラスは６０℃以下に保たれた。

次に処理後のカバーグラスを蒸留水１ｍｌに浸してセルスプレッダーを用いてカバーガラス上のミドリカビ胞子を全て掻き出し、懸濁液とした。この懸濁液を０．１ｍｌ培地に滴下し、コンラージ棒で塗布した。これを３７℃で７２時間培養してコロニー数を計数した。尚、培養には直径９０ｍｍのシャーレを用い、ポテトデキストロース寒天（ＰＤＡ）培地を用いた。

殺菌処理時間と計数されたコロニー数の関係を図２のグラフに示す。初発菌数約３２０００個に対し、アルゴン供給管３からのアルゴンの供給のみの場合は、ミドリカビの死滅まで４分必要とした（図２．Ａ）。一方、アルゴン供給管３からのアルゴンの供給に加えて、ラジカル源供給管４から酸素を供給した場合は、ミドリカビの死滅まで２分必要とした（図２．Ｂ）。いずれの場合も５分以下の極めて短時間でミドリカビを死滅させることができた。

次に殺虫効果を実験した。クリの実の害虫であるクリシギゾウムシの卵と幼虫をシャーレに入れ、実施例１の殺虫殺菌装置１００を用いて処理した。クリシギゾウムシの卵と幼虫が全て死滅するまでに要した時間は次の通りであった。
アルゴン供給管３から、アルゴンではなく、空気を３Ｌ／分で供給した場合、死滅までは３０分要した。この際、ラジカル源供給管４からは何も照射しなかった。
アルゴン供給管３からアルゴンを３Ｌ／分で供給した場合、死滅までは５分要した。この際、ラジカル源供給管４からは何も照射しなかった。
アルゴン供給管３からアルゴンを３Ｌ／分で供給し、ラジカル源供給管４から酸素を１Ｌ／分で照射した場合、死滅までは２．５分要した。
アルゴン供給管３からアルゴンを３Ｌ／分で供給し、ラジカル源供給管４から水をバブリングさせた加湿酸素を１Ｌ／分で照射した場合、死滅までは２．５分要した。

実施例２及び３の結果から次のような考察が得られる。
本発明の効果は、アルゴンを用いることで、励起状態のアルゴンを処理対象近傍まで噴射により輸送した上、比較的寿命の短い活性ラジカル類（原子状酸素、ヒドロキシルラジカル等）を処理対象近傍で発生させることができるからだと考えられる。即ち、空気を用いた場合は、プラズマ発生源近傍で、酸素分子や水分子からそれら活性ラジカル類（原子状酸素、ヒドロキシルラジカル等）が発生してしまい、処理対象近傍まで輸送することが十分にはできない。励起状態のアルゴンを処理対象近傍まで輸送すると、処理対象近傍の空気中、或いは処理対象自体に含まれる酸素分子や水分子からそれら活性ラジカル類（原子状酸素、ヒドロキシルラジカル等）が発生し、処理対象の効果的な殺虫殺菌処理が可能となる。

また、活性ラジカル類（原子状酸素、ヒドロキシルラジカル等）を処理対象近傍で発生させるために、励起状態のアルゴンに処理対象近傍で酸素分子や水分子を追加供給することが有効であると理解できる。

尚、実施例１の殺虫殺菌装置１００については、分光測定を行った結果、紫外線による殺菌効果はほとんど無いと結論付けられた。また、６００ｐｐｍのオゾン雰囲気中での殺虫殺菌効果が、本殺虫殺菌装置１００（オゾン濃度が３ｐｐｍ）による殺虫殺菌効果よりも小さかったことが分かり、本殺虫殺菌装置１００による殺虫殺菌効果は、オゾンの発生に基づくものよりも、原子状酸素やヒドロキシルラジカルによる効果が大きいと考えられる。

図１の殺虫殺菌装置１００において、電圧印加装置２として９ｋＶネオントランスを用い、９ｋＶネオントランスに入力する電圧を１００〜１２０Ｖと変化させて殺菌処理を行った。９ｋＶネオントランスは入力電圧１００Ｖで９ｋＶの出力となるものであり、１００Ｖを越える電圧を入力すると、出力電圧も９ｋＶを越える。アルゴン供給管３からアルゴンを３Ｌ／分で供給したときの、放電電極１ａ及び１ｂ近傍での発光プロファイルを分析した。Ｈβ（４８６．１３ｎｍ）のシュタルク広がりを計算することにより、９ｋＶネオントランスへの入力電圧に対する電子密度を推定した。この結果を図３．Ａに示す。９ｋＶネオントランスへの入力電圧が１００Ｖから１２０Ｖに増加するに従い、アルゴンのホローカソードプラズマＰ中の電子密度が５．５×１０¹⁵ｃｍ^-3から７．０×１０¹⁵ｃｍ^-3に増加した。

電圧印加装置２として９ｋＶネオントランスを用いた図１の殺虫殺菌装置１００により、実施例１と同様にミドリカビの殺菌効果を実験した。結果を図３．Ｂに示す。図３．Ｂに示される通り、９ｋＶネオントランスに印加する電圧が高いほどプラズマ照射での殺菌速度が向上していることが分かる。９ｋＶネオントランスに１００Ｖ、１１０Ｖを印加して処理した場合、３分経過しても死滅はしなかったが、９ｋＶネオントランスに１２０Ｖを印加して処理した場合、１分経過でほとんどの菌が死滅した。以上の結果から、プラズマ内部の電子密度が高いほど、殺菌速度が大きくなることがわかる。

図１の載置台５をベルトコンベヤに置き換えることで、本発明は連続大量処理を行う殺虫殺菌装置とすることができる。その際、図１の殺虫殺菌装置１００をベルトコンベヤの幅方向に複数個並べて配置すると尚良い。或いは排気を備えた容器に励起されたアルゴンを導く構成として、当該容器内に処理対象を配設するようにしても良い。本発明は、農作物、飼料、食品、器具その他の殺虫殺菌方法として極めて有用である。

本発明の具体的な一実施例に係る殺虫殺菌装置１００の構成を示す断面図。 実施例２における、ミドリカビに対する殺菌効果を示すグラフ図。 実施例２における、ミドリカビに対する殺菌効果を示すグラフ図。 実施例４における、９ｋＶネオントランスへの入力電圧と発生するプラズマ中の電子密度の関係を示すグラフ図。 実施例４における、ミドリカビに対する殺菌効果を示すグラフ図。

１００：殺虫殺菌装置
１ａ及び１ｂ：１対の放電電極
２：電圧印加装置
３：アルゴン供給管
４：ラジカル源供給管
５：載置台
Ｃ：上面の開いた容器
Ｐ：アルゴンのホローカソードプラズマ
Ｓ：処理対象

Claims (3)

1. プラズマを用いた殺虫殺菌方法であって、
   一対の放電電極であって、少なくとも一方の電極に凹部を有する、ホローカソード効果を用いた非平衡大気圧プラズマ源を用い、
   主としてアルゴン原子を励起させて、
   前記一対の放電電極の電極間にアルゴンを流し、
   前記一対の放電電極の電極間から噴射されたアルゴンに、酸素を合流させて対象物に照射することを特徴とする殺虫殺菌方法。
2. 前記一対の放電電極の電極間から噴射されたアルゴンに、水を含んだ気体を合流させて対象物に照射することを特徴とする請求項１に記載の殺虫殺菌方法。
3. 少なくとも一方の電極に凹部を有する一対の放電電極と、
   前記一対の放電電極の電極間にアルゴンを誘導する手段と、
   前記一対の放電電極の電極間から噴射されたアルゴンに、酸素及び／又は水を含んだ気体を合流させる手段とを有することを特徴とする殺虫殺菌装置。

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