JP6998806B2 - ガスプラズマ殺菌設備 - Google Patents

Description

本発明は、ガスプラズマ発生装置を使用して粒状物の殺菌を行うガスプラズマ殺菌設備に関する。

この種の殺菌設備の一例として特許文献１に記載の技術を挙げることができる。
この文献に開示の技術は、粒状や粉末状の殺菌対象物(具体的には種子)の種類や特性に応じたプラズマ発生を行い、悪影響を抑制して安定的かつ確実に殺菌を行うことができ、バッチ処理でも殺菌が行える小型化できるプラズマ殺菌装置を提供することを目的としている。

このプラズマ殺菌装置は、段落〔０００９〕にも記載されているように、農産物の種子を殺菌対象とする。その課題として、同段落以降に記載されているように、この種の殺菌対象の場合、殺菌特性が異なることがあることから、殺菌対象物１００を載置する導電材から成る載置部１と、電源部１２に一の電極１０と載置部１とを切替える電源切替部２と、接地部１３に一の電極１０と他の電極１１と載置部１とを切替える接地切替部３とを備えることにより、異なった殺菌対象物（農産物の種子）を良好に殺菌する。
このプラズマ殺菌装置は、殺菌容器１４内に構成されており、この容器１４内に設けられた載置部１への殺菌対象（例えば農産物の種子）の出し入れを必要となる。従って、大量の種子を連続的に処理する用途には向いていない。

特開２０１７－８６７０５号公報

農産物の種子を殺菌対象とする場合、比較的大量の種子を順次殺菌処理する場合も連続的且つ安定的に処理する必要がある。
さらに、これまでの殺菌方法との比較では、農薬或いは水を使用することは環境問題等との関係から好ましくない。

この実情に鑑み、本発明の主たる課題は、農薬、水等を使用することなく、プラズマを使用して種子の殺菌を行う場合において、開空間内で大量の種子を順次殺菌することができる殺菌設備を提供する点にある。

本発明の第１特徴構成は、
プラズマ源となるガスが流れるガス流路に少なくとも一対の電極を備え、前記一対の電極間に交流電圧を印加して、前記一対の電極間でガスプラズマを発生するとともに、発生されたガスプラズマを前記ガス流路の出口から大気中に放出して、当該出口外方に向けてガスプラズマの存続移動領域を形成するガスプラズマ発生装置と、
前記ガスプラズマ発生装置の前記存続移動領域内に種子を保持する保持手段と備え、
前記保持手段により保持された前記種子に、異なった方向から前記ガスプラズマを照射可能に構成され、
前記ガス流路の出口が対向して配置される少なくとも一対の前記ガスプラズマ発生装置を備え、
前記保持手段に保持された状態で、前記少なくとも一対の前記ガスプラズマ発生装置で発生される対向位置する少なくとも一対の前記存続移動領域内に種子が保持される構成で、
前記保持手段が、前記種子をコンベア面上に分散保持した状態で、当該コンベア面を貫通して前記ガスプラズマが移動可能な孔を備えたコンベア装置から構成され、
前記コンベア装置が、対向配置される前記ガスプラズマ発生装置間に位置され、コンベア面が停止する停止状態で、前記保持手段として働く点にある。

本特徴構成によれば、ガスプラズマ発生装置は、そのガス流路の出口外側の大気環境にガスプラズマの存続移動領域を形成する。本発明で使用するガスプラズマ発生装置では、少なくとも一対の電極間で発生されたガスプラズマが、ガス流路を流れるガス流に搬送される形態で、出口から放出され、移動しながらプラズマとして存続しつづける。

保持手段は、種子をこの存続移動領域内に保持する。結果、種子に照射されるガスプラズマにより種子の殺菌を良好に行うことができる。この処理は、大気中の開放空間において順次、ガスプラズマの存続移動領域内に種子を搬送・位置保持するものとできるため、連続的な順次処理とできる。

その照射形態であるが、本発明においては複数の方向から照射する形態を採るため、種子の外表面を覆う形態で過不足なくガスプラズマを照射して、十分な殺菌を行うことができる。

本特徴構成によれば、ガスプラズマ発生装置が少なくとも一対備えられ、対向位置されるため、一方のガスプラズマ発生装置の照射方向を表側、他方のそれを裏側として、少なくとも表裏両面にガスプラズマを照射して殺菌を行うことができる。

本特徴構成によれば、ガスプラズマ発生装置が保持手段として働くコンベア装置のコンベア面を挟んで一対備えられ、コンベア面が停止する停止状態で、コンベア面に設けられた孔を介して、ガスプラズマをコンベア面の表側及び裏側からガスプラズマを照射して殺菌を行うことができる。

本発明の第２特徴構成は、
前記ガスプラズマの存続移動領域内に位置保持された前記種子の姿勢を変更する姿勢変 更手段を備えた点にある。

本特徴構成によれば、種子の姿勢変更手段を設けることで、様々（複数）な方向からガスプラズマを照射して、殺菌を行うことができる。

本発明の第３特徴構成は、
前記姿勢変更手段が、前記コンベア装置のコンベア面上に分散された前記種子に気流を当てて姿勢変更させる姿勢変更機構と前記コンベア面を振動させる振動機構との何れか一方又はそれらの両方である点にある。

本特徴構成によれば、種子の姿勢変更にあって、種子に気流を当てたり、コンベア面を振動させる操作の一方又は両方を行うことにより、良好に姿勢変更を行える。

本発明の第４特徴構成は、
前記保持手段がコンベア装置で構成され、
前記コンベア装置のコンベア面が、前記種子を保持可能な形態で気流の透過を許容する透過型コンベア面として構成され、
前記ガスプラズマ発生装置の前記ガス流路の出口が、前記コンベア面の一方に側に位置されるとともに、前記気流を前記コンベア面の背面側から供給する送風手段を備えた点にある。

本特徴構成によれば、種子をコンベア面に保持した状態で、その一方の側からガスプラズマを照射し、この方向とは背面側となる反対側から気流を流して種子の姿勢を変更しながら、種子に複数の方向からガスプラズマを照射して、殺菌を良好に行うことができる。

本発明の第５特徴構成は、
ガスプラズマの放出方向が同一とされる複数のガスプラズマ発生装置を分散配置して備え、
分散配置された前記複数のガスプラズマ発生装置のガスプラズマの存続移動領域間に渡って前記種子が移動して複数の前記存続移動領域において殺菌される点にある。

本特徴構成によれば、複数のガスプラズマの存続移動領域内を順次、種子を移動させて、種子における照射位置、ガスプラズマの発生元を変えて連続的な処理を行うことができる。ここで、例えば、ここのガスプラズマ発生装置の直下に種子が位置することを検出した場合に、移動を一時停止して、照射時間をかせいでもよい。

本発明の第６特徴構成は、
前記保持手段が、前記種子をコンベア面上に分散保持した状態で移動させるコンベア装 置から構成され、
前記複数のガスプラズマ発生装置の分散配置方向が、前記コンベア装置の搬送方向とされている点にある。

本特徴構成によれば、コンベア装置の搬送方向とガスプラズマ発生装置の分散配置方向とが一致しているため、コンベア装置を搬送動作させる形態で種子の殺菌処理を実行できる。

第１実施形態に係るガスプラズマ殺菌設備の外観視図 図１に示すガスプラズマ殺菌設備の側面視説明図 ガスプラズマ発生装置の構成説明図 各電極へ印加した交流電圧・電流を示す図 第２実施形態に係るガスプラズマ殺菌設備の外観視図 図５に示すガスプラズマ殺菌設備の側面視説明図 第３実施形態に係るガスプラズマ殺菌設備の外観視図 ガスプラズマの殺菌効果を示す図

本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。
１．第１実施形態
図１に本実施形態に係るガスプラズマ殺菌設備１００の外観を、図２にその側面視説明図を示した。これらの図は、本実施形態の理解を容易とするため簡略化して描いている。
この図からも判明するように、ガスプラズマ殺菌設備１００は、殺菌対象である多数の種子１が分散されて搬送されるコンベア装置２を備えて構成され、そのコンベア装置２の搬送方向Ｄの特定位置に、複数（図示する例では６個）のガスプラズマ発生装置３を備えて構成されている。このガスプラズマ発生装置３は、種子１が保持されるコンベア面２ａを挟んで、上下に対を成して配設されている（図２参照）。

<ガスプラズマ発生装置>
ガスプラズマ発生装置３の具体的構成を図３に示した。
ガスプラズマ発生装置３は、プラズマ源となるガスｇが流れるガス流路３ａに少なくとも一対の電極３ｂを備え、これら一対の電極３ｂ間に交流電圧を印加して、一対の電極３ｂ間でガスプラズマを発生する。発生されたガスプラズマはガス流路３ａの出口ｏｕｔから大気中に放出され、当該出口ｏｕｔ外方に向けてガスプラズマの存続移動領域Ｚを形成する。
前記ガス流路３ａは、後述するように絶縁材料の直管３ｃ内に形成されており、この直管３ｃ内に固定された各電極３ｂに交流電圧を印加する電圧印加装置３ｄを備えている。

図１～３に示すように、ガスプラズマ発生装置３を使用することにより、ガス流路３ａの出口ｏｕｔから、その長手方向に伸びるガスプラズマの存続移動領域Ｚが形成される。図面からも判明するように、この存続移動領域Ｚは先細りとなり、先端に向かうにしたがってプラズマ濃度は低下する。

以上が、ガスプラズマ殺菌設備１００に採用しているガスプラズマ発生装置３の概要であるが、以下、さらに詳細に説明する。

ガス
ガス流路３ａには、プラズマ源となるガスｇを供給するが、このガスｇは、特に限定されず、単原子ガス、例えば、ヘリウムやアルゴン等、多原子ガス、例えば、酸素、二酸化炭素、窒素、水素等、複数の成分からなる混合ガス、例えば、空気、前記の単原子分子や前記の多原子分子の任意の組み合わせに係る混合ガス等を挙げることができる。

ガス流路３ａへのガスｇの供給に関しては、ガス流路３ａの上流にマスフローコントローラＭＦＣを備えて、ガス流路３ａへのガスｇの供給圧及び供給量を制御する。

ガス流路
ガス流路３ａは、絶縁材料（例えばガラスやセラミック）からなる直管３ｃ内に形成され、その入口ｉｎからガスｇが供給される。
このガス流路３ａ長さは、少なくとも一対の電極３ｂを配するに十分な長さを有しておればよい。但し、直管３ｃを長くすることで、電極３ｂ間をガスｇが通過に要する時間が増加し、付与されるエネルギー量も増加する。このガス流路３ａの長さは、最大１０ｃｍ程度である。

一方、本発明では、この直管３ｃの出口ｏｕｔの外側に形成されるガスプラズマの存続移動領域Ｚにおいて種子１の殺菌を行うため、図２、図３において下側に位置する出口側の電極３ｂから出口ｏｕｔまでの長さは制限される。

ガス流路３ａの内径は、好適には１ｍｍ以上である。尚、上限値は、例えば４ｍｍ程度である。

電極
電極３ｂを構成する帯状電極の材質は、銅、銀、ニッケル、アルミニウム、ステンレス等の金属や導電性金属酸化物、カーボン等の有機導電材料を挙げることができる。

その構造は、基本的には、直管３ｃの内周に沿って円環状に配された一対の帯状電極とされている。
図３からも判明するように、両電極３ｂはガス流路３ａの長手方向に所定長さ（本実施形態の場合は２０ｍｍ）離間されて配置されている。一方、存続移動領域Ｚの長さを４０ｍｍ程度まで確保している。

（電圧印加装置）
電圧印加装置３ｄは、交流電圧（好適には、一定周期で変化する、正弦波電圧の交流電圧）を一対の帯状電極３ｂ間に印加し、直管３ｃ内に大気圧下でグロー放電を生起させる手段である。同図示した電圧印加装置３ｄには、直管３ｃ内において入口ｉｎ側に位置される電極３ｂに関しては、所定の電圧範囲で交流電圧を印加可能な交流電源部３ｄ１，電圧調整部３ｄ２を備えている。一方、直管３ｃ内において出口ｏｕｔ側に位置される電極３ｂに関しては、当該電極３ｂを所定の電圧に維持する電圧維持部３ｄ３を備えるととともに、両電極３ｂ間に流れる電流に対して抵抗となる抵抗部３ｄ４を備えている。この構造にあっては、電撃は入口ｉｎ側から出口ｏｕｔ側へ発生する。
交流電源部３ｄ１と電圧維持部３ｄ３との同期は、同期制御装置Ｃ３によるものとした。

電圧印加装置３ｄの使用に際しては、例えば、運転初期に、最大電圧及び／又は周波数を高くしておき、ある条件（例えば、一定時間が経過した後やグロー放電が確認できた場合等）を充足した状態で、電圧及び／又は周波数を順次低くして、ガスプラズマの発生を継続維持する。

正弦波交流電圧
電圧
正弦波交流電圧の最大電圧は、高すぎるとグロー放電からアーク放電になってしまい直管３ｃ等を損傷させる場合があり、低すぎるとグロー放電を生起させない場合がある。また、印加電圧が高すぎる場合には、直管３ｃ外周の隣接する帯状電極３ｂ間で沿面放電が発生してしまう可能性がある。よって、電極２ｂ間最大電圧は、好適には５～２５ｋＶｐ－ｐであり、より好適には５～１５ｋＶｐ－ｐである。

周波数
印加する電圧の周波数は、特に制限はなく、数ｋＨｚの低周波から数十ｋＨｚ或いはＭＨｚ単位の高周波まで適用できる。しかし、周波数が高くなるほど絶縁が困難となる。よって、周波数は、好適には５ｋＨｚ～５ＭＨｚであり、より好適には５ｋＨｚ～１ＭＨｚであり、特に好適には１０～３０ｋＨｚである。図４は、一対の帯状電極間に正弦波交流電圧を印加した際のタイミングチャート例である。

ガスプラズマ殺菌設備での殺菌処理
本発明にあっては、この存続移動領域Ｚ内に殺菌対象である種子１の少なくとも一部表面があることが必要とする。
そこで、図１、図２に示すように、ガスプラズマ殺菌設備１００は、ガス流路３ａの出口ｏｕｔが対向して配置される少なくとも一対のガスプラズマ発生装置３を備え、コンベア装置２のコンベア面２ａに種子１が保持された状態で、少なくとも一対のガスプラズマ発生装置３で発生せれる対向する少なくとも一対のガスプラズマの前記存続移動領域Ｚ内に種子１が位置されガスプラズマが種子１に上下両面から照射され殺菌処理される。図において、存続移動領域Ｚの先端のみが種子１に当たっているように図示しているが、これは複数方向から照射されるガスプラズマの照射形態の理解を容易とするためであり、実際は存続移動領域Ｚは一定の広がりを有し、種子１の表面を包む形態となっている（図２、５，６，７で同じ）。
このようにして、図３に示すように、存続移動領域Ｚの長さを４０ｍｍ程度まで確保している。

このガスプラズマ殺菌設備１００では、コンベア装置２の搬送方向Ｄを横断する方向に複数のガスプラズマ発生装置３を並べているため、殺菌対処の種子１に対して、一定時間、ガスプラズマを照射する必要がある。
そこで、コンベア面２ａ上に種子１を保持する一対の突出ガイド２ｂｇを設けた保持部２ｂを設け、この保持部２ｂに保持され状態の種子１が、ガスプラズマ発生装置３の下部及び上部に位置する位相で、コンベア装置２は停止される。そして、所定時間、種子１をガスプラズマの存続移動領域Ｚ内に保持する。よって、少なくともこの保持部２ｂには、コンベア面２ａを表裏方向に貫く複数の孔２ｃが設けられている。この孔２ｃは、種子１の落下を防止するため、その孔径は種子１を落下させることのない径とされている。
従って、第１実施形態では、コンベア装置２の運転・停止を伴う順次処理となる。

以上、このガスプラズマ殺菌設備１００では、コンベア装置２が、ガスプラズマ発生装置３の存続移動領域Ｚ内に種子１を保持する保持手段となっており、この保持手段により保持された状態にある種子１に、異なった方向からガスプラズマを照射して、種子１の殺菌が可能となっている。

２．第２実施形態
図５に、この実施形態に係るガスプラズマ殺菌設備１０１の外観を、図６に側面視説明図を示した。第１実施形態との比較からも明らかなように、第１実施形態においてコンベア装置２の搬送方向Ｄに直交して、一列に配設していたガスプラズマ発生装置列３０を、コンベア装置２の搬送方向Ｄに複数列（図示する例では３０列）としたものである。即ち、複数のガスプラズマ発生装置３０がこの搬送方向Ｄに沿って分散配置されている。
この様に配置することで、第１実施形態では、コンベア装置２の停止を伴った処理とする必要があった種子１の殺菌を、コンベア装置２を停止することなく連続運転した状態で行うことができる。
この実施形態では、コンベア面２ａの全面に均等に孔２ｃを設けている。

３．参考形態
この参考形態のガスプラズマ殺菌設備１０３を図７に示した。
第１実施形態、第２実施形態に係るガスプラズマ殺菌設備１００、１０１では、コンベア装置２のコンベア面２ａに、ガスプラズマが透過可能な孔２ｃが多数形成しておき、この孔２ｃをガスプラズマが通過する状態で、対向して発生される少なくとも一対のガスプラズマ存続移動領域Ｚ（上側に発生される存続移動領域Ｚと下側に発生される存続移動領域Ｚ）内に種子１を挟んで、種子１の殺菌を少なくとも２方向から行うものとした。

さらに、第２実施形態においてコンベア装置２の搬送方向Ｄにガスプラズマ発生装置３を並べて、複数回、ガスプラズマの存続移動領域Ｚ内を通過（複数回、ガスプラズマを照射）することとした。

しかしながら、ガスプラズマ発生装置３を対向して配置する構造では設備自体が複雑とるとともに大型化する。
そこで、ガスプラズマ発生装置３の配置は、コンベア装置２のコンベア面２ａ片側（例えば上側）のみとして、種子１の姿勢を変更しようとするのが参考形態である。
この参考形態では、コンベア装置２の上側に位置されるガスプラズマ発生装置群３００は、第２実施形態と同様にコンベア装置２の搬送方向Ｄにも配置している。従って、連続処理が可能である。

この参考形態においては、ガスプラズマ発生装置３を対向配置する代わりに、ガスプラズマの存続移動領域Ｚ内の種子１の姿勢を変更する姿勢変更手段を設けている。具体的には、姿勢変更手段として、コンベア装置２のコンベア面２ａ上に分散された種子１に気流Ｗを当てて姿勢変更させる姿勢変更機構の一例としての送風機構４００を設けているのである。このようにすることで、気流Ｗによって種子１のガスプラズマの存続移動領域Ｚ内で姿勢を変更して、ガスプラズマの照射部位を変えて、異なった方向から照射して有効な殺菌を行うことができる。

このような構成を採用する代わりに、図７に破線で示すように、コンベア装置２のコンベア面２ａを、種子１をコンベア面２ａ上に維持した形態で気流の透過を許容する透過型コンベア面（例えば多孔板とする）として構成し、ガスプラズマ発生装置３をガス流路３ａの出口ｏｕｔ側に位置するとともに、気流Ｗをコンベア面２ａの裏面（ガスプラズマ発生装置３の配置側に対してコンベア面２ａの背面となる）から供給する送風機構４０１を備えた構成としてもよい。

このように気流Ｗによる姿勢変更を行うことなく、コンベア面を振動させる振動機構（図示省略）を備えて、姿勢変更手段としてもよい。

以下、本発明の有効性を確認するために、発明者らが行った試験に関して説明する。
ガスプラズマ発生装置３の運転条件を以下に箇条書きした。照射は種子１の上方からの片側方向照射とした。

ガス種 ：ヘリウムガス
ガス流量 ：５ リットル／ｍｉｎ
電極間電圧 ：１１．０ ｋＶｐ－ｐ
電極間電流 ：５．３ ｍＡｐ－ｐ
交流周波数 ：２７．０ ｋＨｚ
入力電力量 ：２．６ Ｗ（電流電圧特性値から見積もった）

この条件でガスプラズマ発生装置３を運転した場合の電極間電圧及び電極間電流を図４に示した。電流にリップルが現れているが、ヘリウムプラズマの発生に関連して、リップルが出現しているものと理解される。電極間電圧を実線で、電極間電流を点線で示している。

結果
図８（ａ）（ｂ）に試験結果を示した。
同図（ａ）が大腸菌の結果であり、（ｂ）が黄色ブドウ球菌の結果である。
これら図で、縦軸は「種子重量当たり 生菌数（ＣＦＵ／ｇ－ＤＲＹ－Ｓｅｅｄ）」を示しており、横軸は「ガスプラズマ照射時間（ｍｉｎ）」を示している。

結果、
ガスプラズマの照射時間（殺菌処理時間）を長くすること殺菌性を向上できる。
片面処理であっても、１０分の処理で菌種によらず約９０～９９％の殺菌が可能であった。

〔別実施形態〕
（１）上記の実施形態においては、電極３ｂは帯状とし、それをガス流路３ａに周回する構成で設ける例を示したが、例えば、電極の数を多くしてもよい。

１ 種子
２ コンベア装置（保持手段）
２ａ コンベア面
３ ガスプラズマ発生装置
３ａ ガス流路
３ｂ 電極
１００ ガスプラズマ殺菌設備
３００ ガスプラズマ発生装置群
４００ 送風機構（姿勢変更手段）
４０１ 送風機構（姿勢変更手段）
Ｗ 気流
Ｚ ガスプラズマの存続移動領域
ｇ ガス
ｏｕｔ 出口

Claims (6)

1. プラズマ源となるガスが流れるガス流路に少なくとも一対の電極を備え、前記一対の電極間に交流電圧を印加して、前記一対の電極間でガスプラズマを発生するとともに、発生されたガスプラズマを前記ガス流路の出口から大気中に放出して、当該出口外方に向けてガスプラズマの存続移動領域を形成するガスプラズマ発生装置と、
   前記ガスプラズマ発生装置の前記存続移動領域内に種子を保持する保持手段と備え、
   前記保持手段により保持された前記種子に、異なった方向から前記ガスプラズマを照射可能に構成され、
   前記ガス流路の出口が対向して配置される少なくとも一対の前記ガスプラズマ発生装置を備え、
   前記保持手段に保持された状態で、前記少なくとも一対の前記ガスプラズマ発生装置で発生される対向位置する少なくとも一対の前記存続移動領域内に種子が保持される構成で、
   前記保持手段が、前記種子をコンベア面上に分散保持した状態で、当該コンベア面を貫通して前記ガスプラズマが移動可能な孔を備えたコンベア装置から構成され、
   前記コンベア装置が、対向配置される前記ガスプラズマ発生装置間に位置され、コンベア面が停止する停止状態で、前記保持手段として働くガスプラズマ殺菌設備。
2. 前記ガスプラズマの存続移動領域内に位置保持された前記種子の姿勢を変更する姿勢変更手段を備えた請求項１記載のガスプラズマ殺菌設備。
3. 前記姿勢変更手段が、前記コンベア装置のコンベア面上に分散された前記種子に気流を当てて姿勢変更させる姿勢変更機構と前記コンベア面を振動させる振動機構との何れか一方又はそれらの両方である請求項２記載のガスプラズマ殺菌設備。
4. 前記コンベア装置のコンベア面に前記種子を面上に保持可能な形態で気流の透過を許容する透過型コンベア面として構成され、
   前記ガスプラズマ発生装置の前記ガス流路の出口側に、前記コンベア面が位置されるとともに、前記気流を、前記ガスプラズマ発生装置の配置側に対して前記コンベア面の背面側から供給する送風手段を備えた請求項２記載のガスプラズマ殺菌設備。
5. ガスプラズマの放出方向が同一とされる複数のガスプラズマ発生装置を分散配置して備え、
   分散配置された前記複数のガスプラズマ発生装置のガスプラズマの存続移動領域間に渡って前記種子が移動して複数の前記存続移動領域において殺菌される請求項１から４の何れか一項記載のガスプラズマ殺菌設備。
6. 前記コンベア装置が、前記種子をコンベア面上に分散保持した状態で移動させ、
   前記複数のガスプラズマ発生装置の分散配置方向が、前記コンベア装置の搬送方向とされている請求項５記載のガスプラズマ殺菌設備。

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