JP7139344B2 - 電気穿孔法を使用する水殺菌用システム - Google Patents

Description

本発明は、微生物の細胞膜の不可逆電気穿孔法を使用する水殺菌のための手順及びシステムに関し；電気穿孔法のプロセスは、膜間電位を変化させ、ポリンにおいて露出された化学基を陽極酸化させることによって、強制的に細菌膜に開孔することから成る。

両メカニズムは、電場の印加によって実行され、水中で生存する幅広い種から多数の微生物を死に至らしめる。

殺菌は、病気の原因となる微生物を選択的に破壊することである。

このプロセスは、全ての微生物を殺さず、これは、殺菌と、全ての微生物が駆除される滅菌との主な違いを表している。

廃水に関して、疾病の発生に最も大きな影響を与える３種類のヒト由来の腸内生物は、細菌、ウイルス及びアメーバ嚢子である。

水中に潜在的に存在する可能性があり、人間にとって危険となる可能性がある病原体は、周知の細菌群であって、非常に一般的で進展する人間の病変との関連で有名であり、大腸菌群（エシェリキア属菌種、エンテロバクタ菌種、クレブシエラ菌種、及びシトロバクター菌種を有する）、連鎖球菌菌種、又はレジオネラ菌種を含むが、これらに限定されない細菌群；或いはロタウィルス及びアストロウィルス群を含むが、これらに限定されない極めて一般的なウイルスを包含する。

水を通して感染する一般的な細菌性疾患は、腸チフス、コレラ、パラチフス及び細菌性赤痢であるが、ウイルスが原因となる疾患としては、灰白髄炎、伝染性肝炎等が挙げられる。

水殺菌のための技術は、従来又は近年販売されているかに関わらず、効果的なものが多いが、幾つかの短所がある。従って、新たな解決方法を見出す必要があり、これらの解決方法は、殺生効率、環境的持続可能性、経済的持続可能性、及び操作性基準との一層の整合を図るべきである。

要するに、一般的見地から、殺菌のための既知の方法は、１つ又は複数の以下のメカニズムから成るが、この概要には、限界や問題も含まれる。

細菌又は真核微生物の細菌細胞膜及び／又は呼吸酵素の酸化による殺菌方法：概して、これらの殺菌方法は、殺菌が、一般的に数十分という、酸化剤と検証される微生物との間で特定の接触時間を必要とするため、問題を引き起こす。更に、この時間は、同じ殺生剤に対して異なる可能性があるだけでなく、個別の微生物の種類や、水の特定の物理特性及び化学特性に依存する可能性もある。

化学試薬の添加による殺菌方法：この特定の方法は、環境や人の健康に有害となるおそれがある副産物を生成するため、別の深刻な問題を引き起こす。このプロセスに関する別の短所は、根絶されるべき微生物の多くが、抵抗戦略を持ち、又は防御メカニズムを発展させ、そうした微生物が、処理にもかかわらず、使用された試薬によっては、生き残ることができる点にある。

電気化学プロセスを適用することによって、水自体を使用して、水中で酸化性物質を生成することによる殺菌方法：この方法は、酸化性物質の生成の制御、及び、その結果として、殺生剤の投与量から成る二重の複雑さを加える、というのも、この方法は、処理される水の幾つかの物理的特徴及び化学的特徴（ｐＨ、温度、電導率、濁度、有機物含有量等）に、強く依存するからである。その上、酸化剤（複数可）の生成率は予測不可能で、生成範囲を特定できるのみであるため、実行する上で、システムの大きさ決定を極めて困難にしている。この方法の上記欠陥から、酸化剤の予測不可能な生成率は、水の塩素濃度からの遊離塩素の発生に関して言えば、この方法を特に弱いメカニズムにしてしまう。

原位置でのオゾン生成及び処理される水とのオゾンの混合による殺菌方法：オゾン、及び酸化された物質（遊離基ＯＨ－）と接触する際に、分解から生じるオゾンの副産物は、極めて殺菌効果が高いため、興味深い方法である。この点で、オゾンは、塩素又はクロラミンよりも効果的であると共に、プラズマ膜構造を直接変化させ、そのため必要な接触時間を有意に短縮する速効性の酸化性物質であるという利点を有する。しかしながら、また、この方法は、欠点も示す：オゾンは、極めて揮発性のガス（不確かな印加）であり、高レベルの電力消費量を必要とし、アルデヒド、臭素、ケトン及び他の化合物の存在下で、とりわけ、ヒト癌の発生に関係する、不所望な副産物（ＤＢＰ等）を生成する。

物理的な方法について、濾過：この方法は、電力消費量及び膜のメンテナンスのために高い運用経費を伴う。更に、この方法は、膜自体内で微生物培養物を生成することがあり、膜自体がその結果感染源となり得る。

別の物理的な方法は、紫外線照射である：この方法の主な問題は、回復する可能性がある方法で、細菌の遺伝物質を損傷する点に関する。産業モデルの実装特徴と共に、これは、水の透過率が高くない場合（浄化及び工業プロセスからの水において極めてよくある状況）、及び／又は無効な経路が、様々な摩耗やランプの交換に起因して、殺菌中に生成される場合に、信頼度を低くする一因となる。

低濃度の塩素は、上記方法のいずれかで処理後に、適用されることが多い。

欧州特許出願公開第１９６９１５９号明細書 スペイン国特許出願公開第２３９５５８６号明細書

技術水準によると、特許文献１に含まれる方法等の、幾つかの特許を付与された方法が存在し、特許文献１は、「飲料水及び表面の殺菌に使用するために、弱塩水を電気化学的に活性化することによってｐＨ中性殺菌剤溶液製品を生成するための、調節可能な脱ガスを伴う４つのチャンバを有する膜電解反応器であって、共に連結されて、それぞれが電解反応器の下部陰極側と上部陽極側を形成する２つの半部（５及び６）から成り、陰極チャンバ（７及び８）は半部５に機械加工され、陽極チャンバ（９及び１０）は半部６に機械加工され、２つの半チャンバ（１１）は反応器のそれぞれの側でこれらの陰極チャンバ（７及び８）と陽極チャンバ（９及び１０）との間に介在し、半部が共に連結されたときに脱ガスチャンバ（１１）を形成し；この状態で、各陰極チャンバ（７及び８）は、陰極側電極（１６）と陽極側電極（１５）の間に配置される選択性カチオン交換膜（１２）によって反対の陽極チャンバ（１０及び９）から分離され、その間に一対のボルテックス及びスペーサ壁（１４）が介在することを特徴とする膜電解反応器を使用する水殺菌システム」に関する。

特許文献２は、「極端に低い電流密度及び電荷で任意の種類の導電性ダイヤモンドを使用することに基づいて、再生することによって、不所望の産物（副産物）の形成を防止し、且つより簡単で極めて経済的なプロセスを提供する、水殺菌方法」を提示している。「そのために、システムが、この発明の方法に含まれる条件下で運転されれば、活性剤の添加は必要ではなく、副産物の発生が防止される」。

本発明は、ドープダイヤモンドによって被覆され、導電体材料によって支持された陽極材料；０．１～１０Ａｍ－２の印加電流密度；及び０．００５～０．５ＫＡｈｍ－３の範囲の印加電荷から構成される、少なくとも１つの電解槽における水殺菌から成る水の再生プロセスに関する。

最も広範な水殺菌方法を調査したところ、現在、以下の全ての要件を満たす単一の方法が存在しないことが、断定された：
１． 広範な値の水の物理化学的特徴とは関係なく、殺菌効率を提供する方法。
２． 環境と人の健康に対するマイナス効果の可能性がない方法。
３． 微生物と接触する任意の酸化生成物の酸化による殺菌を保証するために、一旦処理が送水管において適用されると、一時的な貯蔵を必要としない方法。
４． 経済的に可能なエネルギー及び運用経費を有する方法。
５． 補助処理のための第２の方法が必要でない方法。

本発明は、特定の電位を印加して、細菌が生存する水の電解特性を利用することによる、ポリンにおいて露出したアミノ基の酸化と、細菌膜の不可逆電気穿孔法との両方を促進するシステムの開発を通して、これら５要件を満たす。これは、結果的に、化学試薬、物質の添加、又は水中の原位置における酸化性物質の生成なしに、効率の高い殺菌方法をもたらす。

電気穿孔法は、電流が電解質（処理される水）を通して、陰極と陽極の間を通過する際に、電位を誘起する、電流の印加から成る。そのため、膜の内側と外側との電位の差（膜電位又は膜間電位）は、大幅に変更され、膜の電気浸透圧平衡を妨害し、電位依存性イオンチャネルの開閉メカニズムを変化させる。更に、ポリンにおいて露出したアミノ基、イオンチャネル及び輸送チャネルに対して発生した電場の作用の結果、それらの変性をもたらし、変性は、永久又は不可逆電気穿孔法を増大する。

水に対する細胞膜の透過性を相殺することを意図する溶質拡散を用いて、特定の勾配の存在下で細胞膜の電気化学平衡を保つ又は回復するのに使用される細胞メカニズムが機能不全となることで、浸透勾配の優勢（ｐｒｅｖａｌｅｎｃｅ）や細胞への非制御の（不均衡な）水の浸入が生じる。特定の累積時間、電位を連続的に印加することによって、細胞内容積及び膜によって支持される応力は増大され、その結果、膜の永久的な破壊及び微生物の死をもたらす。

本明細書を補足し、本発明の特徴を一層良く理解するのに資する目的で、本発明の実施形態の好適な例に従い、１組の図面が、本明細書の不可欠な部分として、添付され、前記図面は、例示目的であり、限定的ではなく、以下の情報を含む。

水回路に組み込まれ、電気回路に接続される反応器を含むシステムの模式図である。 水入口及び出口、及び電極を有する電解槽を含む、反応器の各部品の概略図である。 電気穿孔法プロセスが完成された槽内部の図である。

本実施形態のシステムは、「フィルタプレス」型電解槽を形成する複数の電極を含む反応器（１）から成り、前記反応器では、所望の数の陽極（２）及び陰極（３）が交互になり、電極は、要求される電位を達成できるならば、任意の材料で作製し得、任意の製造プロセスで生産し得る。

水及び水中に溶解された物質から構成される電解質。

水を電解槽に閉じ込め、水を電解槽を通して、水の槽（４）への入口点と出口点（５）との間を移動可能にし、強制的に水を陽極（２）と陰極（３）の間に流して、この流れを、水が槽に入る時から出るまで確実に行う水流用回路。従って、既知の水の「通過時間（ｔｒａｎｓｉｔ ｔｉｍｅ）」は、両電極間で確保され、この時間は、殺菌率Ｌｏｇ３を達成するために、０．５７６秒以上である。

脈動ポンプ（６）又は重力作用を用いて、水流を促進するシステム。

陽極（複数可）において所望の電流密度を保証可能な、少なくとも１つの直流源（７）；この密度は、使用される電極の電位と共に、既存の陽極型、水の導電率及び槽の形状に依存する。

特定の作業強度（ｗｏｒｋ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）を得るために、水の導電率を考慮して、必要な電圧を適時印加可能で、その結果、システムの導電率が、経時的に変化し得、安定した電流密度が、陽極（複数可）で保たれるはずである、少なくとも１つのプロセス制御（ＰＬＣ：ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ）用装置（８）。

上記で説明されたように、反応器（１）が、電解槽を形成する複数の陽極（２）と陰極（３）から成ると考えると、感染した水は、ポンプ（６）を使用して、容器（９）から圧送され、反応器（１）の入口（４）へと推進される；殺菌された水は、出口（５）を通り、反応器（１）を出る。反応器（１）は、直流源（７）によって作動される回路に接続され、ＰＬＣシステム（８）によって制御される。

陽極（２）に印加される電流密度は、１００～３００Ａ／ｍ^２の範囲である。

誘起電位は、０．２Ｖ以上でなければならない。細菌が曝される電場は、最長３ｍｍでなければならない。電場は、殺菌率Ｌｏｇ３を達成するのに、少なくとも０．５７６秒間印加される。

低電位の、但し０．１Ｖ超とする、電場を使用することで、長時間のパルス（１００ミリ秒）及び長時間間隔（１００ミリ秒）によるものと同じ結果をもたらし得る。

使用される電極は、指定された電位を印加可能であれば、任意の材料から構成され得、任意の製造手順から生産し得る。使用され得る電極の種類の例は：
チタニウム、ルセニウム、イリジウム、若しくは他の金属、又は金属合金、或いは金属酸化物若しくは金属酸化物の混合物がドープされた、これら金属又は合金（例えば、チタニウム、ルセニウム、イリジウム、ホウ素、セシウム又は他の金属）のいずれかの電極；
セラミック材料製の電極、及び上記金属のいずれかがドープされたセラミック材料製の電極；
金属／有機物の混合組成物又は有機物／セラミックの混合組成物を有する電極；
ダイヤモンド電極及び金属ドープされたダイヤモンド電極；
必要な密度を有する電流を伝導でき、所望の電極電位を発生できる任意の種類の電極
を含むが、これらに限定されない。

槽は、連続する交互の陽極（２）と陰極（３）から；又は、接続に応じて、不活性時には陰極（３）として、活性時には陽極（２）として機能する活性化可能な陽極（２）であって、システムが、電極の交互な陽極活性化を可能にする極性反転を含む、活性化可能な陽極（２）からのみ；又は、陽極（２）として機能する面と、陰極（３）として機能する別の面を含む双極板から構成されるシステムであって、該システムが、上記システムのいずれかと組み合わされるか否かに関わらず、双極板を通して電流を流すことによって、両電極が誘起される、システムから、構成され得る。

電解槽及び該槽のエンクロージャは、反応器（１）を形成し、該反応器は：
水が反応器内部に完全に閉じ込められたときに、反応器における入口点（４）及び出口点（５）のみで、ポンプ（６）によって又は水回路によって提供される圧力を用いて、反応器を通して水を流す、密閉型反応器；及び
物理的に開放されたシステムであり得る、水入口（４）と水出口（５）が異なる高さに配置された開放流路反応器（１）であって、所望の方向の水流が、水塊に対する重力作用を用いて達成される、開放流路型反応器
であり得る。

電流は、パルス電流を使用して、電流の活性化／不活性化の順序に従い、連続的又は断続的に印加され得る。

本発明の性質だけでなく、実用的な実施形態の形についても、十分に記載したが、添付図に提示された前述の規定は、以上の段落に含まれ、以下の特許請求の範囲に纏められる基本原理を変えない限り、細部の変形を行うことが可能であることを、記録に留めるべきである。

Claims (9)

1. 電気穿孔法を用いた水殺菌用システムであって、
   該システムは、所望の数の複数の陽極（２）及び陰極（３）が交互になり、前記陽極（２）に印加される前記電流密度は、１００～３００Ａ／ｍ ^２ の範囲であり、前記誘起電位は、０．２Ｖ以上でなければならない、電解槽を形成する複数の電極から構成される反応器（１）；
   水を前記電解槽中への入口点（４）と出口点（５）との間に流すことができる水流用回路であって、前記水が前記電解槽に入り、前記水が出るまでに、前記反応器（１）内で前記陽極（２）と前記陰極（３）間を水が流れる時間は、０．５７６秒以上であり；
   前記水を前記回路を通して推進するのに使用されるポンプ（６）；
   前記反応器（１）に接続される直流源（７）；及び、
   前記プロセスを制御する装置（８）を含む、電気穿孔法を用いた水殺菌用システム。
2. 前記反応器（１）で使用される前記電極は、チタニウム、ルテニウム、イリジウム、若しくは他の金属、又は合金製である、或いは金属酸化物若しくは金属酸化物の混合物がドープされたこれら金属又は合金のいずれかで作製された電極である、請求項１に記載の電気穿孔法を用いた水殺菌用システム。
3. 前記電極は、セラミック材料、及びチタニウム、ルテニウム又はイリジウムの金属がドープされたセラミック材料から構成される、請求項１に記載の電気穿孔法を用いた水殺菌用システム。
4. 前記電極は、金属／有機物の混合組成物又は有機物／セラミックの混合組成物を表す、請求項１に記載の電気穿孔法を用いた水殺菌用システム。
5. ダイヤモンド電極、及びチタニウム、ルテニウム又はイリジウムの金属がドープされた、金属ドープのダイヤモンド電極を含む、請求項１に記載の電気穿孔法を用いた水殺菌用システム。
6. 前記槽は、連続する交互の陽極（２）と陰極（３）から成る、請求項１に記載の電気穿孔法を用いた水殺菌用システム。
7. 前記槽は、不活性時には陰極（３）として動作する、又は活性時には陽極（２）として動作する活性化可能な陽極（２）からのみで構成される、請求項１に記載の電気穿孔法を用いた水殺菌用システム。
8. 前記槽は、陽極（２）として機能する面と、陰極（３）として機能する他の面を含む双極板のシステムから成り、前記双極板を通して電流を流すことによって、両電極が誘起される、請求項１に記載の電気穿孔法を用いた水殺菌用システム。
9. 前記電流は、パルス電流を使用して、電流の活性化／不活性化の順序に応じて、連続的又は断続的に印加される、請求項１に記載の電気穿孔法を用いた水殺菌用システム。

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