JP5924394B2 - 液体殺菌方法 - Google Patents

Description

本発明は、液体を紫外線で殺菌する技術に係り、特に、飲料水の殺菌に用いて好適な紫外線殺菌技術に関する。

従来、飲料水の殺菌方法として、紫外線透過材で構成した流路管に飲料水を流し、当該流路管に外部から紫外線を照射して殺菌する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−２６２８３７号公報

しかしながら、紫外線の吸光度が高く紫外線透過率が悪い飲料水の場合、流路管の深部まで紫外線が到達せず殺菌処理が不充分となる。このため、紫外線透過率が悪い飲料物水の殺菌には紫外線殺菌技術を用いることができず、製造工程中での加熱殺菌が一般に用いられている。しかしながら、加熱殺菌では、飲料水に変色や変質が生じ、また飲料水の風味が損なわれる、という問題がある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、吸光度が高い液体であっても充分に紫外線殺菌することができる液体殺菌方法及び液体殺菌装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、紫外線を照射する紫外線照射器の前に液体を通しつつ、前記紫外線が照射される箇所での液体の厚みを、前記液体の表面での紫外線照度と当該表面からの最遠点での紫外線照度との比である照度比を２０％以上とする厚みに制限し、殺菌対象の微生物の生残率を所定値以下とする紫外線照射量が前記紫外線の照射箇所において得られる紫外線照度で前記液体に紫外線を照射して殺菌する液体殺菌方法であって、前記表面から前記最遠点までの距離、及び吸光度を小さくして前記表面と前記最遠点とでの紫外線照度を略等しくした基準試料に生残する前記殺菌対象の微生物を前記所定値以下まで不活化する紫外線照射量である不活化速度定数Ｄ _ｉ と、前記紫外線照射器で紫外線を照射する前記液体に生残する前記殺菌対象の微生物を前記所定値以下まで不活化する紫外線照射量であり、複数の前記照度比の紫外線を前記液体に照射して測定した紫外線照射量と生残率を直線近似した傾きに相当する反応速度定数Ｄ _ｔ と、を求め、前記不活化速度定数Ｄ _ｉ 、及び前記反応速度定数Ｄ _ｔ の比に基づいて、前記紫外線照射量を補正し、当該紫外線照射量が得られる紫外線照度で紫外線を照射することを特徴とする。

本発明によれば、液体の厚みを所定の厚みに制限した箇所に紫外線を照射して殺菌するため、液体の深部で高い紫外線照度を達成し液表面のみならず深部も充分に紫外線殺菌することができる。

液体殺菌システムの構成を模式的に示す図である。 紫外線照射装置の上面図である。 厚み１ｃｍの液体試料に紫外線を照射したときの減衰の様子を紫外線の吸光度が異なる４種の液体試料について調べた結果を示す図である。 大腸菌ファージＭＳ２が混入した液体試料に紫外線を照射した後の大腸菌ファージＭＳ２の生残率Ｓと紫外線照射量Ｈとの関係を、照度比Ｉ_Ｅを変えて実験した結果を示す図であり、（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ液体試料の吸光度Ａが、１．０ｃｍ^−１、２．０ｃｍ^−１、３．０ｃｍ^−１の場合を示している。 大腸菌ファージＭＳ２の生残率Ｓと紫外線照射時間ｔ（ｓｅｃ：秒）との関係を、照度比Ｉ_Ｅを変えて実験した結果を示す図であり、（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ液体試料の吸光度Ａが、１．０ｃｍ^−１、２．０ｃｍ^−１、３．０ｃｍ^−１の場合を示している。 照度比Ｉ_Ｅごとに紫外線照射量Ｈ（ｍＪ／ｃｍ^２）と生残率Ｓの関係を示す図である。 図４〜図６の実験結果から求められる反応速度定数Ｄｔと吸光度Ａの関係を示す図である。 反応速度定数Ｄｔ／不活化速度定数Ｄｉと、照度比Ｉ_Ｅとの関係を吸光度Ａごとに示す図である。 傾き係数Ｚと吸光度Ａの関係を示す図である。 スリットノズルにより膜状にした飲料水の厚みを模式的に示す図である。 本発明の変形例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る液体殺菌システム１の構成を模式的に示すブロック図である。
液体殺菌システム１は、紫外線吸光度が高い飲料水を充分に紫外線殺菌するシステムであり、図１に示すように、液体殺菌装置３、導入ポンプ５及び排出ポンプ７を備えている。導入ポンプ５は、タンク９に貯留した殺菌処理対象の飲料水を液体殺菌装置３に導入するポンプであり、排出ポンプ７は、紫外線殺菌後の飲料水を液体殺菌装置３から排出するポンプである。

液体殺菌装置３は、導入ポンプ５により導入された飲料水の流路Ｒを挟んで対向配置された一対の紫外線照射器１１と、この流路Ｒ内に設けられ飲料水を一対の紫外線照射器１１の間に噴射するスリットノズル１３と、紫外線照射器１１の間を通って紫外線殺菌された飲料水を受ける受けタンク１５とを備えている。この受けタンク１５に貯留した飲料水が上記排出ポンプ７により液体殺菌装置３から外部に導出される。

紫外線照射器１１は、紫外線ランプ１７及び反射板１９を備えて構成されている。紫外線ランプ１７は、波長２５４ｎｍの光を照射する直管型ランプであり、図２に示すように、紫外線照射器１１の奥行方向に延びる姿勢で水平に設けられている。
スリットノズル１３は、飲料水を膜状にして噴射することで、紫外線が照射される箇所の厚みを制限する厚み制限部として機能するものである。スリットノズル１３は、液体殺菌装置３の奥行方向に所定のスリット長に亘って延在し、飲料水の導入口たる複数のインレット２１が上面に一定ピッチで設けられ、これらインレット２１に上記導入ポンプ５が接続されている。スリットノズル１３の下端部には、所定スリット幅のスリット２３（図１参照）がノズル部として設けられており、上記インレット２１から導入された飲料水がスリット２３のスリット幅に応じた膜厚で、スリット長に相当する長さの液膜として噴射する。

このように、飲料水を膜状にして紫外線照射器１１の間を通すため、そのままでは単位時間当たりに紫外線殺菌する処理量が減るものの、所定のスリット長に亘る液膜を生成し、当該液膜に沿って紫外線ランプ１７を延在させているため、これにより処理量の減少が補われ生産性を阻害することがない。

次いで、紫外線照射による液体殺菌について説明する。
紫外線照射による液体殺菌においては、非常に小さな微生物を対象とするため、液体が吸収しなかった光、すなわち液体を透過した光が微生物に照射された光と仮定できる。一般的に、牛乳、果汁などの不透明液や、酒などのように液体が紫外線を吸収するような飲料水は、紫外線を透過しないため紫外線照射による殺菌、消毒は非常に効率が悪い。

詳述すると、紫外線処理対応である飲料水の吸光度をＡ（ｃｍ^−１）としたとき、入射時の紫外線照度である入射光照度Ｉ_０（ｍＷ／ｃｍ^２）は、距離ｄ（ｃｍ）の地点では紫外線照度Ｉ_ｄ（ｍＷ／ｃｍ^２）まで減衰する。この減衰量は、Ｌａｍｂｅｒｔ Ｂｅｅｒ則に従い次の式（１）で表せる。
Ｉ_ｄ＝Ｉ_０×１０^−Ａｄ （１）

図３は、厚み１ｃｍの液体試料に紫外線を照射したときの減衰の様子を紫外線の吸光度Ａが異なる４種の液体試料について調べた結果を示す図である。
この図には、紫外線照射面である液表面からの距離ｄが長くなるに従って紫外線が減衰する現象が示されている。特に、吸光度ＡがＡ＝０．０１ｃｍ^−１のように小さい場合には、液体試料の最遠点（距離ｄ＝１ｃｍ）においても紫外線照度は大きく、入射時の照度とほとんど変わらない。反対に吸光度ＡがＡ＝１ｃｍ^−１のように大きい場合、紫外線照射面から距離ｄ＝０．３ｃｍにおいて紫外線照度は入射光の半分程度まで減衰する。このことからも、吸光度Ａが大きい液体には紫外線照射による殺菌、消毒は不向きであることが分る。
これに対して、本実施形態では、上述のように、スリットノズル１３により飲料水を膜状にして噴射して紫外線が照射される箇所の厚みを制限することで、吸光度Ａが高い飲料水の場合でも最遠点で高い紫外線照度を達成し、紫外線殺菌、消毒を行うことを可能としている。

図４は、大腸菌ファージＭＳ２が混入した液体試料に紫外線を照射したときの大腸菌ファージＭＳ２の生残率Ｓと紫外線照射量Ｈ（ｍＪ／ｃｍ^２）との関係を、液体試料の液表面から最遠点までの距離ｄ（すなわち、厚み）を異ならせて実験した結果を示す図であり、図４（Ａ）〜図４（Ｃ）は、それぞれ液体試料の吸光度Ａが、１．０ｃｍ^−１、２．０ｃｍ^−１、３．０ｃｍ^−１の場合を示している。
また図５は、大腸菌ファージＭＳ２の生残率Ｓと紫外線照射時間ｔ（ｓｅｃ：秒）との関係を、液体試料の液表面から最遠点までの距離ｄを異ならせて実験した結果を示す図であり、図５（Ａ）〜図５（Ｃ）は、それぞれ液体試料の吸光度Ａが、１．０ｃｍ^−１、２．０ｃｍ^−１、３．０ｃｍ^−１の場合を示している。

なお、以下の説明では、液体試料の液表面での紫外線照度である入射光照度Ｉ_０（ｍＷ／ｃｍ^２）と、液体試料表面から水深（距離）ｄの測定点での紫外線照度である出射光照度Ｉ_ｄ（ｍＷ／ｃｍ^２）の比を照度比Ｉ_Ｅと言うことにする。この入射光照度Ｉ_０は、化学線量計（ヨウ化カリウム溶液）によって試料表面の紫外線強度を測定したものである。この入射光照度Ｉ_０を吸光度Ａ及び距離ｄにて補正した試料内の平均紫外線強度と、紫外線照射時間ｔとの積により上記紫外線照射量Ｈが求められる。

照度比Ｉ_Ｅは、入射光照度Ｉ_０が一定である場合、厚みが増加して距離ｄが大きくなるほど液体試料に吸収される紫外線量が増加し出射光照度Ｉ_ｄが減少することから、厚みの増加に応じて小さくなる。換言すれば、照度比Ｉ_Ｅが小さくなると、出射光照度Ｉ_ｄが減ることから、この箇所での殺菌能力が低下する。このため、図４及び図５に示すように、吸光度Ａが異なる液体試料の全てに共通して、照度比Ｉ_Ｅが低下するほど、生残率Ｓが高くなる。

また、照度比Ｉ_Ｅが一定である場合には、出射光照度Ｉ_ｄは入射光照度Ｉ_０に応じて大きくなるため、入射光照度Ｉ_０の紫外線照射量Ｈが大きいほど殺菌能力が高められる。また、紫外線照射量Ｈが一定であれば、紫外線照射時間ｔが長くなるほど殺菌能力が高められる。したがって、図４及び図５に示すように、吸光度Ａが異なる液体試料の全てに共通して、紫外線照射量Ｈが大きいほど、或いは紫外線照射時間ｔが長くなるほど生残率Ｓが低下する。
しかしながら、図４及び図５に示すように、照度比Ｉ_Ｅが２０％以下の場合には、上記の傾向とは異なり、紫外線照射量Ｈを大きくし、或いは紫外線照射時間ｔを長くしても、全ての吸光度Ａにおいて、生残率Ｓがばらつき、また、比較的高いオーダー（大凡１０^−２）で飽和する傾向が見られる。

すなわち、液体殺菌装置３においては、照度比Ｉ_Ｅが２０％以下となると、紫外線照射器１１の紫外線照射量Ｈや紫外線照射時間ｔの制御では、十分な殺菌能力が得られない。
そこで本実施形態では、液体試料の厚み（距離ｄ）を照度比Ｉ_Ｅが２０％以上となる厚みに制限し、これにより、紫外線照射量Ｈ及び紫外線照射時間ｔに応じて微生物の生残率Ｓを減少させ、効率の良い殺菌を実現している。

図６は、照度比Ｉ_Ｅごとに紫外線照射量Ｈ（ｍＪ／ｃｍ^２）と生残率Ｓの関係を示す図である。なお、同図のデータは、水深（距離ｄ）を小さくしつつ、吸光度Ａを１〜３ｃｍ^−１と高くした実験条件で測定したものである。
同図のグラフにおいて、紫外線照射量Ｈと生残率Ｓとの関係を直線近似し、その傾きから、紫外線照射量Ｈに対する反応速度定数Ｄ_ｔ（ｍＪ／ｃｍ^２）を求めた。この反応速度定数Ｄ_ｔは、図６の実験条件において大腸菌ファージＭＳ２を９０％不活化するのに要した紫外線照射量Ｈを示すものであり、図６において、「反応速度定数Ｄ_ｔ＝ｌｎ（１０）／傾き」として求められる。なお、図６の直線近似においてはテーリングに相当するデータを除いている。

水深（距離ｄ）方向に対する光の減衰を考慮して試料内の平均紫外線強度で生残率Ｓを表することができる。その理由は、Ｉ_ｄ＝Ｉ_０×１０^−Ａｄにおいて、水深（距離ｄ）と吸光度Ａが十分に小さい場合、つまり吸光度Ａ＝１０^−３（ｃｍ^−１）程度と十分に小さい場合は、吸光度Ａによる影響が無視できると考えられるためである。
水深（距離ｄ）が小さく、なおかつ吸光度Ａが例えば吸光度Ａ＝１０^−３（ｃｍ^−１）と小さい試料を基準試料として用いた実験における大腸菌ファージＭＳ２の９０％不活化に要した紫外線照射量Ｈである不活化速度定数Ｄ_ｉを事前に求めておき、この不活化速度定数Ｄ_ｉを用いて生残率Ｓから再度、平均紫外線量を算出した。このようにして算出した平均紫外線量を換算等価紫外線量ＲＥＤ（ｍＪ／ｃｍ^２）と定義する。この換算等価紫外線量ＲＥＤは、微生物が吸収した紫外線照射量Ｈである。
すると、図４〜図６において、
生残率Ｓ＝ｅｘｐ（−平均紫外線量／反応速度定数Ｄ_ｔ） （２）
ｌｎ（生残率Ｓ）＝−（平均紫外線量／反応速度定数Ｄ_ｔ） （３）
−ｌｎ（生残率Ｓ）×不活化速度定数Ｄ_ｉ
＝換算等価紫外線量ＲＥＤ
＝反応速度定数Ｄ_ｔ×−ｌｎ（生残率Ｓ） （４）
が得られる。

図７は、図４〜図６の実験結果から求められる反応速度定数Ｄｔと吸光度Ａの関係を示す図である。
本来、Ｌａｍｂｅｒｔ Ｂｅｅｒ則に従って水深方向へ光が減衰するため、照度比Ｉ_Ｅが同じであれば理論上（計算上）は同じ換算等価紫外線量ＲＥＤとなる。したがって、上記（４）式の関係にも示されるように、基準試料の不活化速度定数Ｄ_ｉと、吸光度Ａが比較的大きい試料に対する反応速度定数Ｄ_ｔとは理論上同じとなる。
しかしながら、実際には、図７に示すように、吸光度Ａが大きくなるに従って反応速度定数Ｄ_ｔが小さくなる傾向が見られ、不活化速度定数Ｄ_ｉとの間に差が生じる、との知見を発明者等は得た。

図８は、反応速度定数Ｄ_ｔ／不活化速度定数Ｄ_ｉ（以下、「紫外線照射量比」と言う）と、照度比Ｉ_Ｅとの関係を吸光度Ａごとに示す図である。なお、基準試料の不活化速度定数Ｄｉの実験値として２１．４（ｍＪ／ｃｍ^２）を用いている。
この図８によれば、近似により、
紫外線照射量比＝反応速度定数Ｄ_ｔ／不活化速度定数Ｄ_ｉ
＝Ｚ×Ｉ_Ｅ＋１（但し、Ｚは吸光度Ａを変数とした関数） （５）
と表せるため，吸光度Ａがゼロに近づけば、すなわち、試料の透過率が非常に高ければ、紫外線照射量Ｈの比は１に漸近する。

このＺ（傾き係数）について、吸光度Ａを変数とした近似式を求めると、図９に示すように、二次方程式で近似される。（ただ切片はゼロとしている。）
Ｚ＝１．３９×１０^−１×Ａ^２＋２．２６×１０^−１×Ａ （６）

以上のことから、必要とされる（照射したい）紫外線照射量ＨをＢ（ｍＪ／ｃｍ^２）とすると、少なくとも今回の実験条件である吸光度Ａ≦３ｃｍ^−１の場合には、実際に照射される紫外線照射量Ｈは、必要とされる紫外線照射量Ｂに対して減衰率Ｋで減衰する。
実際に照射される紫外線照射量Ｈ＝Ｂ×Ｋ （７）
なお、減衰率Ｋは上記紫外線照射量比と同じであり吸光度Ａの関数によって表され、
減衰率Ｋ＝Ｚ×Ｉ_Ｅ＋１ （８）
Ｚ＝１．３９×１０^−１×Ａ^２＋２．２６×１０^−１×Ａ （９）
である。

したがって、吸光度ＡがＡ＝２．５ｃｍ^−１の飲料水を、照度比Ｉ_Ｅ＝Ｉ_ｄ／Ｉ_０＝０．４（＝４０％）で殺菌する場合には、水深（距離ｄ）は、式（１）にしたがいｄ＝０．１５９ｃｍに制限される。式（９）にしたがってＺ＝１．４３、式（８）にしたがって減衰率Ｋ＝１．５７が求められ、対象に照射したい紫外線照射量Ｂを４０ｍＪ／ｃｍ^２とすると、実際に照射しなければならい紫外線照射量Ｈの補正値は、式（７）にしたがって、６２．９ｍＪ／ｃｍ^２と求められる。

このように、本実施形態によれば、紫外線が照射される箇所での飲料水の厚み（距離ｄ）を所定の厚みに制限する厚み制限部としてのスリットノズル１３を備えるため、飲料水の深部で高い紫外線照度を達成し液表面のみならず深部も充分に紫外線殺菌することができる。これにより、飲料水を熱処理で殺菌せずに済むため、殺菌により風味が損なわれることがなく、また殺菌による変質を抑制することができる。

また本実施形態によれば、所望の殺菌能力を得るために必要な紫外線照射量Ｂを、殺菌対象の飲料水の吸光度Ａに起因する、不活化速度定数Ｄ_ｉ及び反応速度定数Ｄ_ｔの差に基づいて（すなわち、上記式（７）の減衰率Ｋに基づいて）、所望の殺菌能力を得るために必要な紫外線照射量Ｂを補正し、補正した紫外線照射量Ｈの紫外線を飲料水の厚みを制限した箇所に照射して殺菌を行う構成とした。
これにより、吸光度Ａが異なる飲料水のそれぞれに、所望の殺菌能力を得るために必要な紫外線照射量Ｂを適切に照射して、十分な殺菌を行うことができる。

さらに本実施形態によれば、照度比Ｉ_Ｅが２０％以上となるように、紫外線照射箇所の厚みを制限したため、紫外線照射量Ｈの増加に対して殺菌能力が飽和することなく、効率の良い殺菌が実現できる。
また、紫外線照射量Ｈの増加に対して殺菌能力が飽和しないように厚みを規定した後に、上記減衰率Ｋに基づいて、所望の殺菌能力を得るために必要な紫外線照射量Ｂを補正して照射することで、殺菌能力に飽和を生じることなく補正後の紫外線照射量Ｈで確実に所望の殺菌能力を得ることができる。

本実施形態の液体殺菌装置３では、前掲図１に示すように、膜状にした飲料水の両側から紫外線を照射して殺菌するため、上記照度比Ｉ_Ｅを決定する際の出射光照度Ｉ_ｄの値には、液表面から最遠点ではなく、図１０の模式図に示すように、厚み方向の中心点Ｃでの値が用いられる。そして、上記のようにして求めた紫外線照射量Ｈの紫外線を、膜状にした飲料水の両側から照射することで、この飲料水を十分に殺菌することができる。
また本実施形態によれば、飲料水の両側から紫外線を照射するため、殺菌のムラを確実に抑制することができる。

なお、上述した実施の形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で任意に変形及び応用が可能である。

例えば、上述した実施形態では、スリットノズル１３により紫外線を照射する箇所での飲料水の厚みを制限した。しかしながら、厚みを制限する手段として、照度比Ｉ_Ｅが２０％以上となる厚みを実現できる手段であれば、スリットノズル１３に限らず任意の手段を用いることができ、例えば、多数の細い管体を並列に並べ、各管体に飲料水を通しつつ紫外線を照射しても良い。
また例えば、図１１に示すように、直管型の紫外線ランプ１１７を納めた紫外線透過材で形成された筒状のランプスリーブ１３０を、飲料水が流れる流通管１３２の中に同軸に納め、ランプスリーブ１３０と流通管１３２との間の隙間に飲料水を流通させることで、紫外線ランプ１１７で照射される箇所の飲料水の厚みを制限する構成としても良い。かかる構成によれば、ランプスリーブ１３０を納めた流通管１３２を直列に複数接続することで、飲料水への紫外線照射時間ｔを延ばすことができ、殺菌能力を簡単に高めることができる。

また例えば、上述した実施形態では、飲料水の両側から紫外線を照射して殺菌する場合を例示したが、これに限らず、飲料水の片側から紫外線を照射する構成としても良い。
また、上述した実施形態では、吸光度Ａが大きな飲料水を紫外線殺菌する場合を例示したが、飲料水に限らず、任意の液体の紫外線殺菌に本発明を用いることができることは勿論である。

１ 液体殺菌システム
３ 液体殺菌装置
１１ 紫外線照射器
１３ スリットノズル（厚み制限部）
１７、１１７ 紫外線ランプ
１９ 反射板
ｄ 距離（厚み）
Ａ 吸光度
Ｓ 生残率
Ｄ_ｉ 不活化速度定数
Ｄ_ｔ 反応速度定数
Ｈ 紫外線照射量
Ｋ 減衰率（＝Ｄｔ／Ｄｉ）
Ｉ_Ｅ 照度比
Ｉ_ｄ 出射光照度
Ｉ_０ 入射光照度
ｄ 距離
ｔ 紫外線照射時間

Claims (1)

1. 紫外線を照射する紫外線照射器の前に液体を通しつつ、前記紫外線が照射される箇所での液体の厚みを、前記液体の表面での紫外線照度と当該表面からの最遠点での紫外線照度との比である照度比を２０％以上とする厚みに制限し、
   殺菌対象の微生物の生残率を所定値以下とする紫外線照射量が前記紫外線の照射箇所において得られる紫外線照度で前記液体に紫外線を照射して殺菌する液体殺菌方法であって、
   前記表面から前記最遠点までの距離、及び吸光度を小さくして前記表面と前記最遠点とでの紫外線照度を略等しくした基準試料に生残する前記殺菌対象の微生物を前記所定値以下まで不活化する紫外線照射量である不活化速度定数Ｄ _ｉ と、
   前記紫外線照射器で紫外線を照射する前記液体に生残する前記殺菌対象の微生物を前記所定値以下まで不活化する紫外線照射量であり、複数の前記照度比の紫外線を前記液体に照射して測定した紫外線照射量と生残率を直線近似した傾きに相当する反応速度定数Ｄ _ｔ と、
   を求め、
   前記不活化速度定数Ｄ _ｉ 、及び前記反応速度定数Ｄ _ｔ の比に基づいて、前記紫外線照射量を補正し、当該紫外線照射量が得られる紫外線照度で紫外線を照射する
   ことを特徴とする液体殺菌方法。

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