JPH09510867A - 食品処理システムにおける電気化学及び電気泳動作用を防止する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 食品に電気的に接触するように配置された電極(16)を使用して食品(10)内の微生物が不活性化される。指定の時間周期中に電流信号が電極に付与されて、第１電極(16)に不活性化電荷を蓄積させる。この不活性化電荷から電界強度が少なくとも５，０００Ｖ／ｃｍの電界が生じる。放電周期中に実質的に全ての残留電荷が第１電極(16)から除去され、放電周期の後にほぼゼロの正味電荷が第１電極に供給され、電気泳動の副次的作用を減少する。電流信号は、電極における電気的二重層を規定電圧へ変化させる。１つの実施形態において、規定電圧は、規定の反応材料種の反応電圧を規定のスレッシュホールド時間以上越えることがなく、これにより、食品内の電気化学的反応を減少する。

Description

【発明の詳細な説明】 食品処理システムにおける電気化学及び電気泳動作用を防止する方法発明の分野 本発明は、詰め込み食品の処理に係り、より詳細には、詰め込み食品又は食料 品における生体を不活性化する処理システム及び方法であって、このような食品 又は食料品の保存期間を延長するシステム及び方法に係る。更に詳細には、本発 明は、詰め込み食品内の生体を不活性化するための非常に高い強度の電界システ ムにおいて電極の汚染を防止又は低減し、及び／又は電気化学的反応を防止又は 低減することに係る。先行技術の説明 ここに使用する「生体を不活性化すること」、「生体を不活性化する」、「生 体の不活性化」又は同様の用語は、バクテリア、ウイルス、菌類、寄生虫、等の 生体を殺し又は殺菌することを意味する。 乳製品や、天然果汁や、卵入りの流動食や、詰め込み肉食品、例えば、牛又は 七面鳥の挽き肉のような腐敗しやすい流動性食品の保存に相当の技術的努力が払 われている。このような流動食品は、通常、種々様々な微生物を含んでおり、こ のような微生物にとって優れた培養基である。 商業的にかなり利用されている実用的な保存方法は、主として、微生物の集群 を不活性化又は減少するための低温殺菌法のような熱処理である。例えば、乳製 品は、これまで、少なくとも約７２℃の最低温度で１５秒間（又はそれと同等の 時間／温度関係）低温殺菌されて、病原菌バクテリア及びほとんどの非病原菌生 体を破壊し、減成酵素システムも、部分的又は完全に不活性化される。しかしな がら、この方法で処理された製品は、一般的にまだ非殺菌状態であり、冷蔵温度 においても保存期間が限定される。流動性食料品の保存期間は、１４０℃の温度 で４秒間の「超高温度の低温殺菌法」又は「超高温度（ＵＨＴ）処理」のような 高い熱処理プロセスにより実質的に延長することができる。これらプロセスは、 食品内の全てのバクテリア及び胞子を完全に破壊するために無菌パッケージに関 連して使用されるが、このような熱処理は、通常は、食品の風味に悪影響を及ぼ し、その含有タンパク質を少なくとも部分的に変性したり、さもなくば、流動性 食品の所望の特性に悪影響を及ぼしたりする。流動性食品の保存に対する他の解 決策は、化学添加物又はイオン化放射の使用を含むが、これにも幾つかの欠点が ある。 １９世紀の終わりから電流の殺菌効果も研究されており、食品の処理に電流を 使用するための様々な努力が払われている。このような努力が、とりわけ、米国 特許第１，９００，５０９号；第２，４２８，３２８号；第２，４２８，３２９ 号；及び第４，４５７，２２１号；並びにドイツ特許第１，９４６，２６７号； 及び第２，９０７，８８７号に開示されており、これらは全て参考としてここに 取り上げる。電界強度の低い低周波交流の致死効果は、主として、直接接触電極 に電流を付与することにより電解化学生成物が生じることと、電気抵抗媒体に電 流が流れることによりオーミック加熱が生じることに起因している。しかしなが ら、不都合なことに、低周波数、低強度の電界方法により発生される電解化学生 成物は、流動性食品において望ましからぬものであり、そして上記加熱も、又、 流動性食品に望ましくない作用を生じさせる。 参考としてここに取り上げる米国特許第３，５９４，１１５号に開示されたよ うに、高電圧アーク放電の致死効果は、電気液圧衝撃波に起因する。爆発性アー ク放電を用いて微生物学的な致死衝撃波を形成することは、食用の流動性食料品 を保存するための非常に効果的な手段ではないので、広く応用されていない。加 えて、このような爆発性アーク放電は、処理されている食料品に不所望な化学的 副産物を生成し得る。 最近、微生物に対する強力な電界（又は非常に強度の高い電界）の作用が、微 生物の細胞膜及び個々の細胞の透磁率を可逆に又は不可逆に増加するためのメカ ニズムとして研究されている。非常に強度の高い電界を付与して細胞の透磁率を 可逆に増加することは、生物細胞の細胞融合を行うと共に、通常含まれない成分 を生物細胞に導入するために利用されている。又、非滋養媒体における非常に強 度の高い電界は、臨界電界レベルより高い電界強度と、付与された非常に強度の 高い電界の時間巾とに基づく不活性化率で微生物に対して直接的な不可逆な致死 効果を及ぼし得る。 非常に短い時間巾の非常に高い強度の電界パルスを用いて食品内の微生物を不 活性化するパルス電界処理装置が、ブッシュネル氏等の米国特許第５，２３５， ９０５号（以下、’９０５特許）及び第５，０４８，４０４号（以下、’４０４ 特許）；並びにダン氏等の米国特許第４，８３８，１５４号（以下、’１５４特 許）及び第４，６９５，４７２号（以下、’４７２特許）に開示されており、こ れらは全て参考としてここに取り上げる。一般に、これらの特許によれば、通常 優れた細菌学的成長媒体である流動性食料品（又は詰め込み食料品）を保存する ための方法及び装置が提供される。このような保存は、非常に短い巾（約１００ マイクロ秒以下）の非常に高強度の電界パルス（少なくとも５０００Ｖ／ｃｍ） を全ての詰め込み食品に印加することにより達成される。 「詰め込み(pumpable)」、「液体性」又は「流動性」、及び「食品」又は「食 料品」という用語は、食品を処理ゾーンに強制的に通流させられる例えば約１０ ００ポイズ以下の粘性又は押し出し特性を有する食用の食品を意味する。これら の食品は、押し出し食品、例えば、生パン又は乳状肉、例えば、ハンバーガー； 流動性食品、例えば、飲料、グレービ、ソース、スープ、及び流動性搾乳製品、 例えば、ミルク；スラリー状食料を含む粒状食品、例えば、シチュー；スープ、 調理又は未調理野菜又は粒状スラリーを含む粒状食品；並びに卵やゼラチンを含 むゼラチン状食品を含む。 「細菌学的成長媒体」という用語は、０℃ないし約３０℃の範囲の温度で保管 する場合に、流動性食品が、固有の微生物学的集群をもつか又は試験用の生体が 種付けされたときに、顕微鏡での直接的な計数、適当な二次媒体上での移植生成 単位、新陳代謝作用の最終製品分析、生物学的な乾燥又は濡れ重量、或いは生物 学的な活動又は含有物の増加を監視する他の定質的又は定量的な分析方法により 検出できる生物学的な含有量又は活動の増加を時間の関数として示すものを意味 する。例えば、このような条件のもとでは、細菌学的成長媒体である詰め込み食 料品の微生物学的集群は、２日の期間に少なくとも２倍になる。 生物学的成長媒体である典型的な流動性食品の組成は、米国農林省の農林ハン ドブック第４５６号（１９７５年）「共通単位でのアメリカンフードの栄養価(N utritive Value of American Foods in Common Units）」から抜粋すると、次の 通りである。 非常に強度の高い電界は、高電界強度設計の処理セルによって付与され、その 例がブッシュネル氏等及びダン氏等によって詳細に開示されている。基本的に、 食料品は、実際に、第１電極と第２電極との間に電気的に挿入される。第１電極 と第２電極との間に非常に高い強度の電界が発生され、この非常に高い強度の電 界は食品を通過し、その中の微生物に非常に高い強度の電界を受けさせる。一般 に、第２電極は、接地電極で構成され、そして第１電極には、比較的高い又は低 い電圧が印加される。 ブッシュネル氏等及びダン氏等の特許では、高強度の電気パルス処理ゾーンに おいて、詰め込み流動食品に、少なくとも１つの非常に高い強度の電界及び電流 密度電気パルスを受けさせ、そしてその流動性食品の少なくとも一部分に、複数 の非常に高い強度の電界及び電流密度電気パルスを受けさせる。１つの処理技術 においては、流動性食品は、２つの電極間の処理ゾーン即ちセルに導入され、こ れらの電極は、誘電体トラッキングや他のブレークダウンを生じることなくそれ らの間に実質的に均一な電界を発生する構成を有する。これら電極に非常に高い 強度の電界パルスが付与され、流動性食品にパルス電界装置により多パルス処理 を受けさせる。非常に高い強度の電界パルスを発生するために、パルス電界装置 は、例えば、集中伝送線回路、ブランレイン(Blumlein)伝送回路及び／又は容量 性放電回路を使用する。或いは又、ブッシュネル氏等の特許は、容量性放電シス テム（又はパルス形成ネットワーク）に電界逆転技術を使用して、処理セル間の 有効な電位を増加することを述べている。例えば、一方の極性の非常に高い電界 強度（例えば２０，０００ボルト／ｃｍ）の短い電界パルスを短い時間中（例え ば２マイクロ秒）処理セル間に印加し、次いで、短い時間内（例えば２マイクロ 秒）に印加電位を急激に逆転することにより、４０ｋＶ／ｃｍに達する有効電界 がセル間に得られる。 流動性食料品（即ち詰め込み食料品）が、非常に高い強度の電界パルスが周期 的に付与される処理ゾーンに連続的に導入され、そしてそれに伴って流動性食料 品が処理ゾーンから引き出される場合は、処理ゾーンを通る流動性食料品の通過 率をパルス処理率と整合させて、全ての詰め込み食料品に処理ゾーン内で少なく とも１つの非常に高い強度の電界パルスを受けさせることができる。流動性食料 品は、ブッシュネル氏等により詳細に説明されたように、複数の順次のこのよう な処理ゾーン又はセルにおいて処理を受けることができる。 ブッシュネル氏等及びダン氏等により開示された装置及び／又は方法、或いは それと同等のものを用いて、ミルク又はタンパク質に富んだ溶液のような幾つか の食品を処理する際の問題として、第１及び／又は第２電極上に材料の膜が収集 又は凝集することがある。この材料の膜は、ミルク又は他のタンパク質に富んだ 材料に存在するタンパク質及び／又は他の材料（ここでは、汚れ又は汚染材と称 する）で構成される。電極の膜形成即ち汚れは、処理電極に隣接した食品の境界 層内に荷電分子が電気泳動的に集中することによると考えられる不所望な副次的 作用である。例えば、食品が生のミルクで構成される場合には、汚れがアノード （即ち電子が流れて行く電極）のみに生じ、一方、カソード（即ち電子が流れ出 す電極）は、膜の蓄積又は凝集が比較的ないままである。不都合なことに、長い 処理期間中に電極に汚れ材がこのように凝集すると、セルの電気的なブレークダ ウンやシステムの汚れ即ち汚染を生じることになると共に、ある場合には、流動 性食品の流れを停止することもある。ある食品の場合には、たった数分のシステ ム運転時間の後に、電極（１つ又は複数）に著しい汚れが生じる。他の食品の場 合には、電極（１つ又は複数）の汚れが著しくなる前に数時間以上の時間が経過 する。 同様の問題、即ち電気分解を解決するための１つの試みがダン氏等の特許に示 されている。これら特許の教示によれば、パルス状の電界を付与した際の流動性 食品の直接的な電気分解を防止するように第１及び第２電極を構成できることが 示唆される。即ち、電極は、各々、導電性の電解電極、イオン浸透膜及び中間の 電解液を使用し、導電性電極との直接的な接触によるのではなくイオン浸透膜を 通して流動性食品とイオン電気接続が形成される。しかし、このような電解電極 は、電気泳動の問題に向けられたものではなく、パルス電界処理装置に高価で且 つ厄介な付加的な部品を使用しなければならないという問題を招く。従って、汚 れ材が電極に電気泳動的に凝集するのを防止する方法が要望される。 又、電気分解の問題も見落とすことができない。食品内で電極に生じる電気分 解は、食品の電気化学的作用という更に別の問題を課する。これらの電気化学的 作用は、電極において食品内に化学的な副産物を生じさせ及び／又は食品内に他 の不所望な作用を生じさせるといった不所望な副次的作用である。ダン氏等によ り示されたようにイオン浸透膜を使用することは、この問題に対する１つの解決 策をもたらすが、電極を取り巻くイオン浸透膜の追加を必要とし、コストを高め ると共に、電極の設計を複雑なものにする。従って、食品の微生物を不活性化す るための非常に高い強度の電界システムにおいて電気分解を防止する簡単な解決 策が要望される。 ここで使用する「電気泳動」という用語は、流動性食品（例えば、詰め込み食 品又は液体食品）のような溶液に懸濁された荷電粒子（例えば、比較的大きなタ ンパク質分子）が、溶液への電界付与により溶液を通して移動されるプロセスを 指す。電界を発生するのに使用される電極は、溶液内に配置されてもよいしされ なくてもよい。電極自体、即ち電極を構成する材料は、電気泳動には参加せず、 電界を発生する。 ここで使用する「電気分解」という用語は、化学的システムに電流が流れるこ とによりシステムが分解することを指す。電気分解は、化学薬品が化学的成分に 分解したり、金属が電着又は電気メッキされたり、金属が還元されたり、電気化 学的バッテリが充電されたりすることを含む。発明の要旨 本発明は、食品内の微生物を不活性化し、そして食品内の汚れ材による装置の 高エネルギー電極の汚れを防止又は減少し、及び／又は食品内の電気化学的作用 を防止又は減少するための装置及び方法を提供する。 第１の実施形態におい、電極は、食品供給と電気的に接触するように配置され る。微生物を不活性化するために、５ｋＶ／ｃｍ以上、通常は、１０ｋＶ／ｃｍ 以上の非常に高い強度の電界が食料品又は食品に印加される。スイッチ（又はス イッチングデバイスによって電極に接続された電荷供給回路は、電荷を供給し、 電荷は、非常に高い強度の電界（少なくとも約５０００Ｖ／ｃｍ）に応答して食 品に流れる。 食品内の汚れ材による電極の汚れ（即ち電気泳動）を防止又は減少し、及び／ 又は食品内の電気化学的作用（即ち電気分解）を防止するために、第１の実施形 態の１つの態様におけるスイッチングデバイスは、電極へ第１電流を供給するよ うに電荷供給回路を構成し、次いで、電極から第２電流を吸収するよう電荷供給 回路を順次に構成する。（電荷供給回路は、電極から第２電流を吸収するとき、 即ち電極から残留電荷を除去するときは、電荷ゼロ化回路網と称される。）第１ 電流は、スイッチが第１状態をとるのに応答して供給され、そして第２電流は、 スイッチが第２状態をとるのに応答して吸収される。第１及び第２の状態は、各 々、第１及び第２の時間周期中にとられ、第１電流と第１時間周期が第１電荷を 定義し、そして第２電流と第２時間周期が第２電荷、即ち残留電荷を定義する。 第１及び第２電流と、第１及び第２時間周期を適切に選択することにより、第１ 及び第２電荷は、実質的に等しい電荷とされ、第１は供給されそして第２は電極 により吸収される。従って、電極に供給される正味電荷は、第１及び第２の時間 周期の後に実質的にゼロになる。このゼロの正味電荷供給は、電極上の汚れ材の 凝集を実質的に防止し、且つ電極における電気分解又は電気化学的作用を減少す る。（電気泳動作用及び電気化学的作用は、ここでは、電気的な副次的作用と称 する。）第１及び第２の時間周期中に各々第１及び第２の電流を供給する順次の プロセスは、パルス電界処理装置の動作が所望される限り、繰り返される。 本発明の第２の実施形態は、食品の供給体に電気的接触する電極の汚れを防止 又は減少し、及び／又は電極における電気化学的反応を防止又は減少する装置を 特徴とする。この装置は、（１）電極に接続された電荷供給回路と、該電荷供給 回路に接続されたスイッチとを備えている。このスイッチは、電極に電荷を供給 するよう電荷供給回路を構成する第１状態と、電極から電荷を実質的に吸収する よう電荷供給回路を構成する第２状態とを有している。又、この装置は、（３） 上記スイッチに接続されたコントローラであって、規定の時間周期中に第１状態 及び第２状態をとるようにスイッチを制御するコントローラを備えている。従っ て、このコントローラは、電極に供給される正味電荷を規定の時間周期中にほぼ ゼロにする（最初に電荷を供給し、次いで、電荷を吸収することにより）。この ように、電極の汚れ及び／又は化学的副産物の発生が実質的に防止される。 又、第３の実施形態において、本発明は、食品の微生物を不活性化する方法を 特徴とする。この方法は、第１に、（ａ）食品の供給体に電極を配置することを 含む。第２に、（ｂ）第１電圧信号が第１の規定の時間周期中に電極に印加され て、第１電流を電極に通流させる。この第１電流と第１の規定の周期で第１電荷 が定められる。第３に、（ｃ）第２電圧信号が第２の規定の時間周期中に電極に 印加されて、第２電流を電極から通流させる。この第２電流と第２の規定の時間 周期で第２電荷即ち残留電荷が定められ、第１電荷と第２電荷はほぼ等しい電荷 である。その結果、第１の規定の時間周期及び第２の規定の時間周期の後に電極 に転送された正味電荷は、ほぼゼロとなる。第１及び第２の電圧信号の順次の印 加は、規定の動作周期中繰り返すことができ、例えば、所望量の食品中で微生物 が不活性化されるまで繰り返すことができる。 又、スイッチングデバイスは、電極に接続された能動的又は受動的回路として 広範囲に説明される。この回路によって供給される正味電荷は、実質的に（又は ほぼ）ゼロであり、ゼロからの許容変化量は、電極における凝集率及び／又は電 極に生じる電気化学的反応の率の関数であると共に、本発明の特定の用途、例え ば、特定の食品について受け入れられる凝集及び／又は電気化学的反応の量の関 数である。 実際に、能動的回路は、供給時間中に、対応する複数の時間周期に対し複数の 電流を供給する。複数の電流及びそれに対応する時間周期のどれも、複数の電流 及びそれに対応する時間周期の他のものと組み合わされたときに、ゼロの正味電 荷を供給する必要はない。むしろ、供給周期中に供給される複数の電流の組合せ が、ゼロの正味電荷を電極に供給させる。この実施形態の１つの特定例において は、無限数の電流があって、その各々が供給周期中の無限に短い時間周期に供給 され、これは、例えば連続的な電流関数が電極に付与される場合と同様である。 この特定例においては、供給される正味電荷は、次の式で定められる。 但し、Ｑは、供給時間周期Ｔ_Dにわたって供給される電荷であり、Ｉ（ｔ）は、 連続的な時間関数である。供給周期の終了前に電極に供給される最後の電荷は、 ゼロの正味電荷の供給を生じるので、この最後の電荷をゼロ化電荷と称すること ができる。又、無限数の電流と無限に短い時間周期とによって不連続な電流関数 を定めることもでき、従って、これを用いて本発明の教示を実施できることにも 注意されたい。 更に別の実施形態では、受動的回路は、ゼロの正味電流を供給する。これは、 高電圧電源に接続された受動的回路、及び一般的には、スイッチングデバイスを 用いて達成される。受動的回路は、トランスコンダクタンス関数Ｇ（ｓ）を定義 し、ｓは、一般化された周波数（又は複素周波数）であり、Ｇ（０）は、ほぼ０ であり、即ち受動的回路は、高電圧電源及びスイッチに応答して直流を実質的に 通過しない。従って、受動的回路からの電流出力は、ゼロの正味電荷を次のよう に定める。 但し、Ｑは、パルス周期即ち供給時間周期Ｔ_Dにわたり供給される電荷であり、 Ｉ（ｔ）は、連続的な時間関数である。能動的回路が使用されたときと同様に、 供給周期の終了前に電極に供給される最後の電荷は、ゼロ化電荷と称することが できる。 上記実施形態の１つの変形態様は、電極の境界における「電気的な二重層」が 反応電位以上に荷電するのを防止し、即ち電極において電気化学的反応が生じ始 める電位以上に荷電するのを防止する。それ故、この変形態様においては、非常 に高い強度の電界の付与により食品内に生じる電気化学的反応が防止され又は減 少される。反応電位の大きさ（即ちスレッシュホールド電位）は、典型的に約１ ボルトであるが、処理されている特定の食品及び防止又は減少されるべき電気化 学的反応の関数として決定される。電流が最初に電極に付与されるときは、電極 に流れる電流が非ファラディ電流であり、即ち電気的な二重層を荷電する電流で ある。電気的な二重層のこの荷電は、実際には、容量性の荷電であり、それ故、 電気的な二重層は、「二重層キャパシタ」と称する。この二重層キャパシタが荷 電され、即ち反応電位に到達すると、ファラディ電流が流れ始める。これは、二 重層キャパシタの電荷が約１ボルトに到達したときに生じる。食品内に電気化学 的反応、即ち電気分解を生じさせるのは、このファラディ電流である。 実際に、本発明の上記実施形態のこの変形態様は、第１の時間周期及び第２の 時間周期中に電極に流れる電荷の量を制限することにより、二重層キャパシタが 反応電位即ち約１ボルト以上の電位に荷電するのを防止する。第１の時間周期中 に、第１の電流は、二重層キャパシタを反応電位未満に荷電し、そして第２の時 間周期中に、第２の電流は、二重層キャパシタから残留電荷を放電する。典型的 に、この残留電荷は、第１の時間周期中に電極に流れる電荷の量に接近する。と いうのは、第２の電流が付与される前に、二重層キャパシタが非常にゆっくりと 放電するからである。従って、この変形態様では、電極に流れる電流は、非ファ ラディ電流だけであるから、電気化学的反応の発生が防止される。 この変形態様の多数の実施が意図される。例えば、電気化学的反応の完全な防 止ではなく減少したレベルが特定の食品に対して受け入れられる場合には、二重 層キャパシタにかかる電圧が反応電位を越える時間を排除するのではなく、制限 又は制御することができる。その結果、電気化学的反応は、例えば、特定食品内 に受け入れられる特定の化学副産物の量の関数である許容レベルに減少すること ができる。 従って、本発明の特徴は、幾つかの実施形態において、汚染材を含む食品内の 微生物を不活性化するように電極を使用し、このような食品の保存期間を延ばす ことである。 本発明の別の特徴は、幾つかの実施形態において、微生物を不活性化するプロ セス中に汚染材で電極が汚れるのを減少又は実質的に防止するように、電極への 電流（ひいては、電荷）の供給を制御することである。 本発明の付加的な特徴は、更に別の実施形態において、食品内の電気化学的な 反応、即ち電解反応を防止することである。 本発明の更に別の特徴は、幾つかの実施形態において、イオン透過膜のような 複雑で且つ経費のかかる装置を必要とせずに、電極の汚れを防止又は著しく減少 し、及び／又は食品内の電気化学的反応を防止又は減少することである。図面の簡単な説明 本発明の上記及び他の特徴、並びに効果は、添付図面を参照した以下の詳細な 説明から明らかとなろう。 図１は、食料品の微生物を不活性化するのに使用されるパルス状電界処理装置 であって、このような処理装置に使用される高エネルギー電極の汚れを防止又は 減少し、及び／又は食品内の電気化学的反応を防止又は減少する本発明の特徴を 有する装置のブロック図である。 図２Ａは、図１に示された本発明の第１の実施形態の回路図であって、能動的 回路即ちスイッチを用いて高電圧電源を電極に接続するところを示す図である。 図２Ｂは、図２Ａに示された第１の実施形態により発生された第１電流及び第 ２電流を縦軸に示し、そしてこれら電流が各々発生される第１時間周期及び第２ 時間周期を横軸に示す例示的なグラフである。 図３は、図１に示す本発明の第１の実施形態を実施した回路図であって、パル ス形成ネットワークが高電圧電源により第１電荷で選択的に荷電され、次いで、 電極へと放電され、そしてバイアス電源を用いて電極から第２電荷が吸収され、 電極にゼロ正味電荷を供給するところを示した図である。 図４は、図３に一般的に示された第１の実施形態を実施する詳細な回路図であ る。 図５は、図１に示すような本発明の第２の実施形態であって、高電圧電源と、 ｓが一般化された周波数そしてＧ（０）＝０であるトランスコンダクタンス関数 Ｇ（ｓ）を有する受動的な回路とを用いて、電極にゼロ正味電荷を供給する第２ の実施形態の回路図である。 図６Ａは、パルス形成ネットワークが電極を経てゆっくり荷電され、次いで、 電極を経て急速に放電される第２の実施形態の第１実施例を示す図である。 図６Ｂは、図６Ａに示す第２の実施形態により発生される第１電流及び第２電 流を縦軸に示し、そしてこれら電流が各々発生される第１時間周期及び第２時間 周期を横軸に示す例示的なグラフである。 図７は、図６Ａに一般的に示された本発明の第２の実施形態の第１実施例の詳 細な回路図である。 図８は、パルス形成ネットワークが高電圧電源により第１電荷で選択的に荷電 され、そして結合キャパシタを経て電極へと放電され、更に、結合キャパシタか らの第２電荷が電極から吸収され、そして放電素子へと放電されるような図５に 示す第２の実施形態の第２実施例を示す回路図である。 図９は、図８に一般的に示された本発明の第２の実施形態の第２実施例を詳細 に示す回路図である。 図１０は、図５に示した第２の実施形態の第３実施例であって、パルス形成ネ ットワークが高電圧電源によって第１電荷で選択的に荷電され、そして電極へと 放電され、次いで、第２電荷が電極から分路インダクタへ吸収されるような第３ 実施例の回路図である。 図１１は、図１０に示された第２の実施形態の第３実施例の回路を近似するの に使用されるモデル回路の回路図である。 図１２は、図１０に一般的に示された本発明の第２の実施形態の第３実施例の 詳細な回路図である。 図１３は、図５に示した第２の実施形態の第４実施例であって、パルス形成ネ ットワークが高電圧電源によって第１電荷で選択的に荷電され、次いで、パルス 変成器を経て電極へと放電され、更に、電極からの第２電荷がパルス変成器によ って吸収されるような第４実施例を示す回路図である。 図１４は、図１３に一般的に示された本発明の第２の実施形態の第４実施例を 詳細に示す回路図である。 多数の図面全体にわたり対応する要素は、対応する参照文字で示してある。好ましい実施形態の詳細な説明 以下の説明は、本発明を実施するための最良の態様と現在考えられるものであ る。この説明は、本発明を何ら限定するものではなく、本発明の一般的な原理を 単に説明するものに過ぎない。本発明の範囲は、請求の範囲に規定する。 図１は、食品の微生物を不活性化するのに使用されるパルス状電界処理装置を 示すブロック図である。この装置は、高エネルギー電極の汚れを防止又は減少し 及び／又は食品又は食料品内の電気化学的な作用を防止又は減少する本発明の特 徴を備えている。 液体食品１０（例えば、約１０００センチポイズ未満の粘性をもつ）は、処理 ゾーン１２（又はセル）を通して循環され、この循環する食品１０は、第１電極 １６と第２電極１４との間に挿入され、これらの電極は、誘電体トラッキングや 他のブレークダウンを生じることなくそれらの間に実質的に均一な電界を発生す る構成を有する。従って、セル１２は、電極１４、１６と、食品１０が循環する これら電極間の循環スペースとを備えていると言える。非常に高い強度の電界パ ルス（少なくとも約５，０００Ｖ／ｃｍ、好ましくは少なくとも約１０，０００ Ｖ／ｃｍの電界強度を有する）が電極１４、１６に付与されて、食品１０にパル ス状電界処理回路１８によるパルス状電界処理を受けさせる。好ましくは、液体 食品１０は、約１ないし１０００Ω−ｃｍの抵抗率を有する。 上記したように、ミルクやタンパク質に富んだ溶液のようなある食品を処理す る際には、その材料の電気泳動搬送により第１電極１６及び／又は第２電極１４ に材料の膜が集まり又は凝集し得る。不都合なことに、処理周期中の電極１４及 び／又は１６上のこの膜の凝集即ち汚染物は、セル１２の電気的なブレークダウ ンや、システムの汚れ又は汚染を生じると共に、ある場合には、セル１２を通る 流動性食品の循環を停止することがある。 又、上記したように、ある食品の処理中には、非常に高い強度の電界を付与す ることにより食品内に電気化学的反応、即ち電解反応が生じる。これら電解反応 は、食品内に化学的な副産物又は他の減成作用を生じさせ、従って、流動性食品 処理システムの価値をかなり低下させる。水の電気分解は、非常に高い強度の電 界システムにおける処理から生じる最も起こりやすい反応の１つである。水の電 気分解の主たる生成物は、レドックス平衡式で示されるように、アノードの酸素 （Ｏ₂ガス）と、カソードの水素（Ｈ₂ガス）である。 但し、ＮＨＥは、「通常の水素電極」を指す。 処理セルに流れる全ての電流がファラディ電流であり、即ちこれらの副産物を 生成するように働くと仮定すれば、その生成量は、ファラディの法則に基づいて 計算することができる。例えば、約０．０１Ｃ／ｃｍ³の典型的な電荷転送の全 てがファラディである場合には、それにより得られるＨ₂ガス及びＯ₂ガスの濃度 は、各々、〜５２μＭ及び〜２６μＭである。更に、２つの電極面の界面にまた がる電圧降下は、水の電気分解を生じさせるための正式電位１．２ボルトを越え ねばならない。これは、無視できる電気化学的作用が生じることろの１．２ボル トの「窓」となる。電極にまたがる電位が１．２ボルトを越えない場合には、著 しいファラディ電流が流れず、電気化学的な副産物は生成されない。 別の潜在的な電気化学的反応は、ＮａＣｌを含む水溶液にＨ₂ガス及びＣｌ₂ガ スを生成することを含み、これは、次のレドックス平衡式で示される。 オレンジジュースのような典型的な液体食品／飲料の場合は、Ｃｌの濃度が、 〜５５Ｍの水の濃度に比して〜５０ｍＭである。０．０１Ｃ／ｃｍ³の電荷転送 の全てがファラディであり、そして対抗する水の電気分解と塩素の反応が濃度に よって区切られる場合には、〜３．３ｐｐｂの塩素ガスが発生することになる。 しかしながら、上記のように、電極にまたがる電位が電極の正式電位、この場合 は、アノードの１．３６ボルト及びカソードの−０．８３ボルトを越えるまで、 電気化学的反応は生じない。本発明のある実施形態によれば、これらの正式電位 に決して到達しない（従って、電気分解が生じない）か、又は短い時間中だけ到 達する（従って、僅かな制御された量の電気分解のみが生じる）。 実際には、著しい電気分解が生じる前に、反応電位（正式電位とは異なる）に 到達しなければならないことに注意されたい。反応電位は、標準化された測定値 である正式電位とは異なる。というのは、Ｈ⁺濃度又はｐＨ、温度、化学的濃度 等の外部要因が、特定の電気分解反応が生じる傾向に影響するからである。例え ば、−０．８３Ｖの正式電位は、基本溶液（ｐＨ＝１４）の場合の水からの水素 の発生に対応する。ｐＨの関数としての反応電位の例示的な変化を、次のテーブ ルに示す。 ｐＨ＝７において、アノードでのＨ⁺イオンの発生は、ｐＨをアノードにおい て負の方向にシフトする。カソードでのＯＨ^-イオンの発生は、ｐＨをカソード において正の方向にシフトする。従って、これらｐＨシフトに基づいて水の電気 分解を続けるには、１．２３Ｖ以上が必要である。電極プロセス、特に酸素発生 のゆっくりとした運動は、別の０．２ないし０．５Ｖを所要の反応電位に容易に 追加し得る。 水素及び酸素電位がｐＨに基づくのと同様に、塩素電位も、塩素の濃度及び塩 素の許容レベルに対して補正されねばならない。 但し、Ｒは普遍的なガス定数であり、Ｔは絶対温度であり、Ｐ_cl2は塩素ガスの 分圧であり、そしてＣ_cl-はＣｌイオンの濃度である。Ｃ_cl-＝０．０５Ｍ及びＰ_cl2 ＝８．８ｘ１０⁸原子とすれば（Ｃｌ₂の可溶性に基づきそして〜０．５ｐｐ ｃと仮定する）、これは（２５℃において）、次のようになる。 塩素を生成する場合は、酸素の発生と競合することになり、これは、熱力学的 に好ましい。酸素反応の運動性が不充分であると、バランスが塩素に向かってシ フトし、そして水に対してＣｌの濃度が低いと、バランスは塩素の発生から離れ るようシフトする。しかしながら、電極間に、即ち電極に表面に形成される電気 的な二重層（即ち二重層キャパシタ）にまたがって反応電位が確立されるまで、 いずれの反応も生じない。 二重層キャパシタに関連するキャパシタンスを充電するために、非ファラディ 電流が電極へ／から流される。二重層が、反応分子種の反応電位に等しい電位に 荷電されるまで、著しい電気化学的（電気分解）作用は生じない。 通常の非常に高い強度の電界処理において行われる測定は、〜１７ｍＦの二重 層キャパシタンスを指示する。典型的なセルは、〜７０ｃｍ²の面積を各々有す る２つの電極で構成され、そして２つの電極の二重層キャパシタンスは直列であ るから、これは、約４８０μＦ／ｃｍ²の比キャパシタンスに等しい。これは、 完全に滑らかな電極面に対して予想されるものより大きいが、ここに述べる実施 形態において好ましい比較的粗野なグラファイト電極については、不合理なもの ではない。 電気抵抗率が２００Ω−ｃｍの食品の３０ｋＶ／ｃｍ、１５０Ｊ／ｃｃ処理の 場合に、電流密度は、Ｊ＝１５０Ａ／ｃｍ²であり、そして単位面積当たりの全 電荷は、５ｍＣ／ｃｍ²である。非常に高い強度の電界処理が２μｓパルスで与 えられる場合に、パルス当たりの電荷転送は、３００μＣ／ｃｍ²であり、そし て完全な処理を与え、即ち生体の充分な不活性化を行うのに、〜１７のパルスが 必要となる。１つのパルス中に、電極電位が変化し得る量は、１つのパルスに対 する単位面積当たりの電荷（ｑ_A〜３００μＣ／ｃｍ²）と、電極二重層の比キャ パシタンスＣ_E（〜４８０μＦ／ｃｍ²）とによって決定される。１つのパルスに よる各電極の全電圧変化は、ほぼ次の通りである。 これは、２つの電極界面にまたがって〜１．２ボルトを生じ、これは、水の電気 分解に対する正式電位（〜１．２ボルト）に匹敵し、且つ上記の塩素の生成のた めの正式電位より低い。 最初に中性である溶液の場合には、カソード電位は、水素の発生を行うために −０．４１Ｖ未満でなければならない。０．５ｐｐｂ（ある食品規制目的の重要 な濃度である）において塩素を成形するために１．２３ボルトの反応電位が必要 な場合には、２つの電極界面にまたがった許容電圧降下は、１．６４Ｖである。 ２つの電極界面にまたがって１．６４ボルトの電位を形成するのに必要な時間を 計算することができる。これは、直列な２つの電極−溶液界面の比キャパシタン ス（２４０μＦ／ｃｍ²）及び電流密度１５０Ａ／ｃｍ²に基づくものである。 従って、２μｓパルスからの全ての電流が電気的二重層の荷電に消費され、 電気化学的反応が開始し得る電位には到達しない。このように、電気分解、即ち 電気化学的な副次的作用は、ここに示す実施形態において防止できる。 一般に、パルス状の電界強度Ｅで処理される電気抵抗率ρをもつ食品の場合、 次の式で表されたパルス巾τを用いることにより電気化学的作用を回避すること ができる。 但し、Ｃ_dは、直列な２つの電極−溶液界面の比キャパシタンス（即ち単位面積 当たりのキャパシタンス）であり、そしてＶ_Rは、電気化学的反応が開始し得る 電位、即ち反応電位（例えば、塩素発生の場合には、Ｖ_R≒１．６４ボルト）で ある。式（７）で与えられるものより短い巾のパルスの場合には、反応電位に決 して到達せず、著しい電気分解、即ち電気化学的反応は生じない。 ここに述べる実施形態の重要な特徴は、反応電位への到達を回避するために、 電荷、即ち二重層キャパシタに残っている残留電荷が、非常に高い強度の電界パ ルス間に二重層キャパシタから除去されることである。その他の点で、非常に高 い強度の電界パルス間に非常にゆっくりと放電する二重層キャパシタは、幾つか の数のパルスの後に、結局は充分な電荷を蓄積し、反応分子種の反応電位に到達 し、そしてある程度の電気化学的作用が生じることになる。 ここに例示する多数の技術を使用して、正味電荷転送を排除し、これにより、 二重層キャパシタにおける電荷の蓄積を防止することができる。典型的に、これ は、非常に高い強度の各電界パルスの後に二重層を放電することにより達成でき るが、二重層キャパシタにまたがる累積電圧が反応分子種の反応電位を越えない 限り、パルス間に電気的二重層を放電せずに２つ以上のパルスを供給することが できる。以下に述べるように、これらの技術は、低電圧バイアス回路を用いて、 パルス間に打消電荷を与え、処理セルを通してパルス形成回路を荷電し、交互の 極性のパルスを使用し、及び他の考えられる解決策を使用することを含む。汚染 物の電気泳動付着による電極の汚染を減少するのにも使用できるこれら技術は、 非常に高い強度の電界パルスが充分に短いものであるときには、電気化学反応を 回避し、二重層キャパシタの電圧が反応電位に到達するのを防止する。 好都合なことに、電気泳動で誘起される汚染物の凝集と、電解化学反応の両方 は、ここに述べる本発明の実施形態によって防止又は減少することができる。こ のような防止又は減少を図１に示す装置１１で達成するために、スイッチ（又は スイッチングデバイス）２０は、先ず、例えば、第１電流を第１電極１６に供給 するよう電荷供給回路２２を構成し、次いで、例えば、第２電流を第１電極１６ から吸収するよう電荷供給回路２２を順次に構成する。（電荷供給回路２２は、 第１電極１６から第２電流を吸収するときは、電荷ゼロ化ネットワークと称する のが適当であることに注意されたい。）更に、電解化学反応を防止するために、 スイッチ２０が第１電流を供給するよう電荷供給回路２２を構成する時間、及び スイッチ２０が第２電流を吸収するように電荷供給回路２２を構成する時間は、 所与の電界強度を仮定して、各電極における二重層キャパシタ間の電圧が正式電 位を越えるのを防止するように制限されねばならない。 ここに述べる電流は、第１電極１６へ「供給される」又はそこから「吸収され る」ものとして説明するが、実際には、電流は第１電極１６と食品１０との間に 流れなくてもよいことを理解されたい。むしろ、他の電気的な作用が、第１電極 １６と第２電極１４との間でセル１２を通る有効な電荷転送、例えば、食品１０ 内のイオン搬送に対して考慮される。いずれにせよ、第１電極１６へゼロの正味 電荷を供給し又はセル１２を通るゼロの正味電荷を達成するものとして本発明を 正確に説明する。 或いは又、本発明は、第２電極１４から電流を「吸収し」、又はそこへ電流を 「供給する」ものと考えることもできる。第１電極１６は、この場合は単に一例 として参照する。強調されるべきは、本発明が、セル１２を通るゼロの正味電荷 転送を達成することである。 第１電流は、スイッチ２０が第１状態をとるのに応答して供給され、そして第 ２電流は、スイッチ２０が第２状態をとるのに応答して吸収され、第１及び第２ 状態は、各々、第１及び第２の時間周期中とられる。上記したように、第１及び 第２の時間周期は、第１及び第２電極１６、１４における二重層キャパシタにま たがる電位が、防止しようとする電気化学的反応の種に対する正式電位を越えな いように制限することができる。第１電流と第１時間周期は、第１電荷を定め、 そして第２電流と第２時間周期は、第２電荷即ちゼロ化電荷を定める。第１及び 第２電荷は、この実施形態では、等しい電荷であり、その第１は、第１電極１６ へ供給され、そしてその第２は、第１電極１６から吸収される。従って、第１電 極１６へ供給される（その結果、セル１２を通る）正味電荷は、供給周期の後に 実質的にゼロとなる。好都合にも、ゼロの正味電荷供給は、第１電極１６及び／ 又は第２電極１４における汚染物の凝集を実質的に防止することが分かった。第 １及び第２電流を各々第１及び第２の時間周期中に供給する順次のプロセスは、 パルス状電界処理装置の動作が所望される限り、次々の供給周期中に繰り返され る。 コントローラ２４は、スイッチ２０に接続され、そして第１及び第２の規定の 時間周期に対して第１及び第２状態をとるようにスイッチ２０を制御する。コン トローラ２４は、簡単なタイミング回路、或いは複雑なデジタル又はアナログコ ンピュータシステム、例えば、パーソナルコンピュータを含む種々の公知形態を とることができる。 図２Ａは、本発明の第１の実施形態を示す回路図であり、能動的回路即ちスイ ッチ２０は、高電圧電源２８（この実施形態では、図１の電荷供給回路２２より 成る）を第１電極１６に接続する。 図２Ａに示されたスイッチ２０のような種々の形式の能動回路（又は能動回路 デバイス）を第１の実施形態に使用することができる。この能動回路が、一例と して上記したように、第１及び第２の時間周期中にのみ各々第１及び第２の電流 のみを発生することは、本質的ではない。それ故、各々潜在的に異なる大きさを 有する複数の電流と、各々潜在的に異なる長さを有する複数の時間周期が、能動 回路によって形成され又は使用されてもよいことを理解されたい。更に、この能 動回路は、無限の複数の電流を発生してもよく、この場合、複数の時間周期が無 限の複数の無限に小さな時間周期となる。これら複数の電流及び複数の時間周期 は、本発明によりゼロの正味電荷を一緒に構成する複数の電荷を定める。 又、複数の電流のいずれか１つ及びそれに対応する時間周期は、複数の電流の 他のもの及びそれに対応する時間周期と対にされて、ゼロの正味電荷を生じるこ とは本質的ではない。むしろ、ゼロの正味電荷は、供給周期中に能動回路によっ て形成された複数の電流及び複数の時間周期に応答して供給周期にわたり供給さ れる。従って、実際に、ゼロの正味電荷は、周期的に即ち供給周期の終わりに供 給され、供給周期中のいかなるときにも非ゼロの正味電荷の供給が可能となる。 供給周期の長さは、処理されている食品１０における汚れ材の量と、第１又は第 ２電極１６、１４に汚れ材の凝集を許すように汚れ材から分離する食品の傾向と に基づいて選択される。より詳細には、第１又は第２電極１６、１４の汚れを生 じる傾向の強い食品１０は、電極の汚れを生じる傾向の少ない食品１０よりも、 相対的に短い供給周期の選択を必要とする。同様に、電気化学的な反応を防止す べき場合には、供給周期の長さを、各電極の二重層キャパシタ間の電圧が、防止 しようとする反応の種の正式電圧を越えないように選択しなければならない。或 いは又、電気化学的反応又は電極の汚れのいずれかの減少のみが所望される場合 には、供給周期の長さを、汚れ又は電気分解が防止される供給周期を規定の裕度 周期だけ越えるように選択することができる。電気分解の減少の場合には、この 規定の裕度周期は、その裕度周期中に電極へファラディ電流が流れるように正式 電圧を越える規定の裕度電圧を定める。 又、実際に、各供給周期中に充分な数の複数の電流及び時間周期が、微生物を 不活性化するに充分な大きさの電界を処理ゾーン１２内に発生するに充分な電荷 を定義することにも注意されたい。この充分な数の電流及び時間周期は、処置又 は処理されている食品１０の形式、処理ゾーン１２を通る食品の流量及び／又は 不活性化されている微生物の形式に基づいて選択される。 図２Ａに示されたように、能動的回路デバイスは、スイッチ２０である。スイ ッチ２０は、例えば、ある遅延時間中、第１状態（ａ）をとる。次いで、スイッ チ２０は、第１の規定の周期中に第２状態（ｂ）をとり、その間に第１電流が電 源２８により第１電極１６へ供給される。電源により供給される電圧は、この実 施形態では、少なくとも２０００ボルト、例えば、５０００ボルト以上である。 第１の規定の周期の後に、任意であるが、付加的な遅延周期が続き、その間に、 スイッチ２０が再び第１状態位置（ａ）をとる。次いで、スイッチ２０は、第２ の規定の周期中、第３状態（ｃ）をとる。スイッチ２０が第３状態（ｃ）にある 間に、第２電流が電源２８によって第１電極１６から吸収される。遅延周期、第 １時間周期、付加的な遅延周期、及び第２時間周期は、供給周期を構成する。ス イッチ２０は、コントローラ２４に応答して、これら状態の各々をとる。 この動作のタイミング波形図が、図２Ｂに示されている。第１電流Ｉ₁及び第 １時間周期Ｔ₁は、電源２８により供給される第１電荷を定め、そして第２電流 Ｉ₂及び第２時間周期Ｔ₂は、電源２８によって供給される第２電荷を定める。（ この実施形態において、電源２８は、第１時間周期中に第１電流を供給するとき には電荷供給回路と称することができ、そして第２時間周期中に第２電流を吸収 するときには電荷ゼロ化回路と称することができる。）第１及び第２の規定の時 間周期と、第１及び第２の電流とを適切に選択することにより、第１及び第２の 電荷は等しい電荷とされ、第１は電極へ供給され、そして第２は電極により吸収 される。例えば、第１及び第２の規定の時間周期は、２マイクロ秒の時間周期で よく、そして第１及び第２の電流は、２０，０００アンペアの電流でよい。この 実施形態では、第１及び第２の両方の電流は、一般に、食品１０の供給体におい て微生物の不活性化を生じさせるに充分な大きさのものであることに注意された い。このように、第１及び第２の時間周期の後に、実質的にゼロの正味電荷が第 １電極１６に供給される。上記のように、ゼロの正味電荷の供給は、第１電極１ ６及び／又は第２電極１４における汚れ材の凝集を実質的の防止又は減少し、及 び／又は食品１０内の電気化学的反応を防止又は減少する。 スイッチ２０は、本発明の範囲内で多数の形態をとることができる。例えば、 スイッチ２０は、機械的なスイッチであって、第１、第２及び第３状態が、単極 ３投（ＳＰＴＴ）型スイッチの物理的な位置で構成されてもよく、この場合に、 第１状態（ａ）は接地位置に対応し、第２状態（ｂ）は正の位置に対応し、そし て第３状態（ｃ）は負の位置に対応する。或いは又、スイッチ２０は、２つのパ ルス発生器、例えば、２つのチューブパルサーで構成されてもよく、その各々は 互いに他と極性が逆で且つ互いに他と重畳しないようにタイミングどりされたパ ルスを発生する。スイッチ２０の多数の他の形態が本発明の範囲内で意図され、 これらは、電子設計分野の当業者に良く知られている。上記したように、コント ローラ２４は、スイッチ２０の状態を制御するのに使用され、例えば、非常に高 い強度の電界パルスを発生させる電流パルスの巾及び振幅をセットするタイミン グ回路を含む従来設計のものでよい。 図２Ａにおいて、スイッチ２０は、３つの考えられる位置（ａ）、（ｂ）又は （ｃ）のみに接続されて示されており、その各々は、電極１２への電流の供給を 生じさせる。しかしながら、スイッチ２０は、本発明の範囲内で、無限数の考え られる位置に接続することができ、その各々は、無限の複数の無限に小さな時間 周期の対応する特定の１つに対しセル１２に供給されるべき無限の複数の電流の 特定の１つに対応することを理解されたい。 このように、ゼロの正味電荷は、スイッチ２０、又は対応する複数の時間周期 に対し複数の電流を供給するように高電圧電源を構成する他の能動的回路に応答 して、第１電極１６に供給される。その結果、ゼロの正味電荷が、供給周期中に 電極１２に供給される。 図３は、高電圧電源２８がパルス形成ネットワーク３０と並列な組合せで接続 されるような本発明の第１の実施形態の実施を示す回路図である。この並列な組 合せは、単極単投（ＳＰＳＴ）スイッチ２１又はそれに等価なスイッチングデバ イス、及びセル１２に直列である。スイッチ２１が開状態をとるときに、高電圧 電源２８は、パルス形成ネットワーク３０を充電する。 パルス形成ネットワーク３０を充電するに充分な時間中開状態に保持された後 に、スイッチ２１は、第１の規定の時間周期中（即ち第１時間周期中）閉状態を とり、パルス形成ネットワーク３０がセル１２に第１電流を供給するようにさせ る。パルス形成ネットワークは、少なくとも２０００ボルト、例えば、５０００ ボルト又はそれ以上の電圧を電極に供給する。第１電流は、比較的高い電流、例 えば、２０，０００アンペアであり、そして第１時間周期は、比較的短い時間周 期、例えば、２マイクロ秒である。第１電流の供給は、第１の規定の時間周期中 続けられる。パルス形成ネットワーク３０に並列な高電圧電源２８は、第１電流 に対して無視できる程度の作用しか与えない。 この実施形態では、第１の規定の時間周期の直後に続く第２の規定の時間周期 （即ち第２時間周期）の間に、スイッチ２１は、再び開状態をとり、そしてパル ス形成ネットワーク３０は、高電圧電源によって再び充電される。スイッチ２１ は、コントローラ２４に応答して開状態及び閉状態の両方をとる。 又、第２の規定の時間周期中に、セル１２に並列に接続されたバイアス電源３ ４が第１電極１６から第２電流を吸収させる。この第２電流は、例えば、１アン ペアの比較的小さな電流であり、そして第２時間周期は、例えば、４０ミリ秒の 比較的長い時間周期である。この実施形態において、高電圧電源２８、パルス形 成値とワーク３０、ローパスフィルタ３２（以下に述べる）、及びバイアス電源 ３４は、一緒に、電荷供給回路２２（図１）を構成する。ローパスフィルタ３２ 及びバイアス電源３４は、電荷ゼロ化回路を構成する。 図３において、バイアス電源３４は、第１及び第２の両時間周期中即ちスイッ チ２１が開又は閉のときにセル１２に接続されたままとなり、そしてローパスフ ィルタ３２は、セル１２とバイアス電源３４との間に挿入されて、バイアス電源 ３４を第１時間周期中に第１電流から保護することに注意されたい。又、比較的 小さな第２電流は、第１時間周期中に第１電流に対して無視できる程度の負の作 用しか与えないことにも注意されたい。 このように、第１電流は、第１の規定の時間周期中に第１電極１６に流れ、そ して第２電流は、第２時間周期中に第１電極１６から流れる。 図２Ａについて述べた第１の実施形態と同様に、この実施例の第１及び第２電 流と、第１及び第２時間周期は、第１及び第２の等しい電荷を定める。従って、 第１及び第２の規定の時間周期の後、即ち供給周期の後に、ゼロの正味電荷が電 極から食品に転送される。 図４は、第２の実施形態の図３の実施を示した詳細な回路図である。サイラト ロンスイッチ２１’がスイッチ２０（図３）として使用され、そしてキャパシタ 及びインダクタの直列／並列ネットワーク３０’がパルス形成ネットワーク３０ （図３）として使用される。この目的に適したサイラトロンスイッチ２１’は、 ペンシルバニア州、イーストンのＩＴＴコーポレーション、エレクトロン・テク ノロジー・デビジョンから入手できるＦ−１７５である。ローパスフィルタ３２ は、パルス形成ネットワーク３０’から供給された高電圧パルスがバイアス電源 ３４にダメージを及ぼすのを防止するように設計される。これは、比較的短い高 電圧パルスを充分に減衰するが、バイアス電源３４により発生される連続的な低 電圧の直流電流はほとんど減衰しないように、ローパスフィルタ３２の設計内の 部品に対し例えば抵抗値及びキャパシタンスの値を選択することによって行われ る。バイアス電源３４は、例えば、５０ボルトの比較的低い電圧において直流電 流を発生し、そしてそれに応答して、パルス形成ネットワーク３０によりセル１ ２へ供給された第１電荷に等しく且つそれと逆の第２電荷即ちゼロ化電荷を供給 するように選択される。 図５には、本発明の第２の実施形態が示されており、トランスコンダクタンス 関数Ｇ（ｓ）を有する受動的回路３７が高電圧電源２８及びセル１２に接続され ている。トランスコンダクタンス関数Ｇ（ｓ）は、ｓ＝０に対し、Ｇ（０）＝０ であり、即ち換言すれば、受動的回路３７が直流を通さないことを特徴とする。 この第２の実施形態を実現するのに使用できる受動的回路３７の幾つかの例につ いて図６−１４を参照して以下に説明する。 次いで、図６Ａを参照すれば、第２の実施形態の第１実施例が示されており、 ＳＰＳＴスイッチ２１又はそれと同等のスイッチングデバイスが高電圧電源２８ に並列な組合せで接続されている。この並列の組合せは、パルス形成ネットワー ク３０及びセル１２に直列に接続される。この実施形態において、電源２８及び パルス形成ネットワーク３０は、電荷供給回路２２（図１）を構成する。スイッ チ２１が第１状態、即ち開状態にあるときに、電源２８は、セル１２を通してパ ルス形成ネットワーク３０をゆっくりと充電し、図６Ｂに示す比較的小さな第１ 電流Ｉ₁’が第１電極１６へ、食品１０へ効果的にそして第２電極１４へ効果的 に流れるようにする。この実施形態では、第１電流Ｉ₁’は、一般に、微生物を 不活性化するほど充分な大きさではないことに注意されたい。スイッチ２１が開 状態にあるときに、スイッチ２１は電気的接続を形成せず、即ちそれらの端子間 は開路である。従って、電源２８、パルス形成ネットワーク３０及び第１電極１ ６は、スイッチ２１が開状態にあるときに直列に接続される。 コントローラ２４によって制御されるスイッチ２１は、図６Ｂに示すように、 第１の規定時間周期Ｔ₁’中は開状態をとり、そして第２の規定時間周期Ｔ₂’中 は閉状態をとる。スイッチ２１は、コントローラ２４により制御されてこれら状 態の各々をとる。この実施例では、第１及び第２の時間周期の間、その前又はそ の後に遅延周期は使用されない。閉状態においては、パルス形成ネットワーク３ ０は、スイッチ２１を経て迅速に放電し、比較的大きな第２電流Ｉ₂’が第１電 極１６から効果的に流れるようにする。又、パルス形成ネットワーク３０は、第 ２の規定時間周期中は電荷ゼロ化回路と称することもできる。第２電流は、微生 物を不活性化するに充分な大きなものである。 スイッチ２１が閉状態にあるときに、スイッチ２１は、電気的接続を形成し、 即ちその端子間は短絡となる。従って、パルス形成ネットワーク３０と、第１及 び第２電極１６、１４を含むセル１２は、スイッチ２１が閉状態にあるときに直 列に接続され、電源２８を効果的に短絡させる。（高電圧電源は、スイッチ２１ が閉じた時間中にダメージが生じるのを防止する内部短絡保護機能を含むことに 注意されたい。） 第１周期Ｔ₁’及び小さな第１電流Ｉ₁’は、第１電極１６に供給される第１電 荷を定め、そして第２周期Ｔ₂’及び大きな第２電流Ｉ₂’は、第１電極１６から 吸収される第２電荷を定める。第１及び第２電荷は実質的に等しいので、ゼロの 正味電荷が電極１６へ供給され、即ちセル１２を経て供給される。 図７は、第２の実施形態の第１実施例の詳細な回路図である。サイラトロンス イッチ２１’は、スイッチ２１（図６Ａ）の機能を発揮するように使用され、そ してキャパシタ及びインダクタの直列／並列ネットワーク３０’は、パルス形成 回路網３０（図６Ａ）として使用される。サイラトロンスイッチ２１’は、図４ について上記したサイラトロンスイッチ２１’と同じである。もちろん、ＳＰＳ Ｔスイッチ機能を発揮する他の形式のスイッチ装置、例えば、３極管、バイポー ラ接合トランジスタ、電界効果トランジスタ、シリコン制御整流器等も、使用で きる。 図８には、本発明の第２の実施形態の第２実施例が示されており、高電圧電源 ２８は、パルス形成ネットワーク３０に並列の組合せで接続され、そしてこの並 列の組合せは、ＳＰＳＴスイッチ２１及び放電素子３６に直列に接続される。セ ル１２は、結合キャパシタ３８を経て放電素子３６にまたがって並列に接続され る。高電圧電源２８、パルス形成ネットワーク３０、放電素子３６及び結合キャ パシタ３８は、この実施形態の電荷供給回路２２（図１）として機能する。放電 素子３６及び結合キャパシタ３８は、電荷ゼロ化回路として機能する。 動作に際し、ＳＰＳＴスイッチ２１は、先ず、パルス形成ネットワーク３０を 充電するに充分な時間周期中、開状態をとる。スイッチ２１が開状態をとるのに 応答して、高電圧電源２８はパルス形成ネットワーク３０を充電する。第２に、 スイッチ２１は、第１の規定の時間周期中に閉状態をとる。スイッチ２１が閉状 態をとるのに応答して、パルス形成ネットワーク３０は、結合キャパシタ３８を 経て放電し、第１電流を第１電極１６へ通流させる。 第１電流とは別に、パルス形成ネットワークの放電の一部分が放電素子３６を 経て生じる。しかしながら、放電素子３６のインピーダンスは、ほとんどのエネ ルギーがセル１２を経て放電されるように選択され、即ち放電素子３６のインピ ーダンスは、パルス形成ネットワーク３０のインピーダンスに対して非常に大き い。更に、結合キャパシタ３８は、パルス形成ネットワーク３０のキャパシタン スより相当に大きい、例えば、百倍程度大きいキャパシタンスをもつように選択 され、第１電流により生じる電圧降下のほとんど、例えば、９９％程度が、セル １２にまたがって、即ち第１電極１６と第２電極１４との間に生じ、結合キャパ シタ３８にまたがって生じるのではないようにされる。 第１の規定の時間周期の後に、スイッチ２１は、第２の規定時間周期中開状態 に復帰する。スイッチ２１が開状態にある間に、結合キャパシタ３８は、放電素 子３６を経て放電し、第２電流を第２の時間周期中セル１２に通流させる。又、 第２の時間周期中に、電源２８は、パルス形成ネットワーク３０を上記のように 再び充電する。ＳＰＳＴスイッチ２１は、コントローラ２４により制御されて閉 及び開の両方の状態をとる。 このように、パルス形成ネットワーク３０の放電により生じた電流は、第１の 時間周期中に第１電極１６に供給され、そして結合キャパシタ３８の放電により 生じた第２電流は、第２の時間周期中に第１電極１６から吸収される。一般に、 この実施形態では、第２電流が第１電流よりも相当に小さく、そして第２時間周 期が第１時間周期よりも相当に長い。 上記の実施形態と同等に、第１電流及び第１時間周期が、第１電極１６に供給 されるべき第１電荷を定め、そして第２電流及び第２時間周期が、第１電極１６ から吸収されるべき第２電荷を定める。このような電流及び時間周期を適切に選 択することにより、第１及び第２の電荷は、等しい電荷とされ、そして第１及び 第２の時間周期の後に、ゼロの正味電荷が第１電極１６に転送され、即ちセル１ ２を経て送られる。 図９には、第２の実施形態の第２実施例の詳細な回路図が示されている。この 場合も、サイラトロンスイッチ２１’がスイッチ２１（図８）として使用され、 そしてキャパシタ及びインダクタの直列／並列ネットワーク３０’がパルス形成 ネットワーク３０（図８）として使用される。インダクタ３６’は、放電素子３ ６として使用される。インダクタ３６’及び結合キャパシタ３８の代表的な値は 各々１０ｍＨ及び１００μＦである。 図１０には、本発明の第２の実施形態の第３実施例が示されている。この実施 例は、第２の実施例と同様であるが、結合キャパシタ３８がなく、放電素子３６ は、分路インダクタ４０で構成される。換言すれば、第３の実施例は、パルス形 成ネットワーク３０に並列の組合せで接続された高電圧電源２８より成る。この ような並列の組合せは、更に、ＳＰＳＴスイッチ２１及び分路インダクタ４０に 直列に接続され、セル１２は、分路インダクタ４０と並列に接続される。高電圧 電源２８、パルス形成ネットワーク３０及びインダクタは、この実施形態におけ る電荷供給回路２２（図１）として機能する。分路インダクタ４０は、電荷ゼロ 化回路として機能する。 充分な巾の充電時間周期中に、パルス形成ネットワーク３０は、第２実施例に ついて上記したように充電される。この充電周期の終わりに、スイッチ２１は、 閉状態に切り換わり、そして第１の電流は、第１の時間周期中、第１電極１６へ 流れ始める。 図１１は、第２の実施形態の第３実施例の動作を示している。図１１では、図 １０の第２の実施形態の第３実施例は、高電圧電源２８及びパルス形成ネットワ ーク３０に対応する電源Ｖ（ｔ）が、スイッチ２１と、分路インダクタ４０及び 抵抗Ｒを含む並列組合体とに直列に接続されたものにより近似されている。抵抗 Ｒは、第１電極１６、食品１０及び第２電極１４の全抵抗、即ちセル１２の抵抗 を近似する。 第１の時間周期中に、第１電流がセル１２に流れ、第２電流が分路インダクタ ４０に流れ、これは、良く知られたように、分路インダクタ４０のまわりに磁界 を伸張させる。第１電流に応答して、第１電荷が第１電極１６に供給される。第 １時間周期の後、スイッチ２１は、コントローラ２４に応答して開状態をとる。 その結果、磁界が崩壊し始めるときに、第１電流はセル１２に流れるのを止め、 そして第２電流は分路インダクタ４０に流れ続ける。従って、第２電流は、第１ 電極１６から流れ始め、そして第２電荷が第１電極１６から転送される。分路イ ンダクタ４０のインダクタンス及び第１時間周期の巾は、第１電荷を第２電荷と 実質的に等しくするように選択され、これにより、第１及び第２の時間周期の後 にゼロの正味電荷が第１電極１６に流される。 図１２には、第２の実施形態の第３実施例の詳細な回路図が示されている。上 記のように、サイラトロンスイッチ２１’は、ＳＰＳＴスイッチ２１（図１０） として使用され、そしてキャパシタ及びインダクタの直列／並列ネットワーク３ ０’は、パルス形成ネットワーク３０（図１０）として使用される。 図１３には、本発明の第２実施形態の第４実施例が示されており、分路インダ クタ４０がパルス変成器４２に置き換えられている。この変成器４２の一次コイ ル４４は、パルス形成ネットワーク３０及びＳＰＳＴスイッチ２１と直列に接続 され、そして変成器４２の二次コイル４６は、セル１２と直列に接続される。第 ３の実施例（図１０及び１２）の場合と同様に、高電圧電源２８は、パルス形成 ネットワークと並列である。この実施例において、高電圧電源２８、パルス形成 ネットワーク及び変成器４２は、電荷供給回路２２（図１）として機能する。パ ルス変成器４２は、電荷ゼロ化回路として働く。 この第４の実施例は、図１０及び１２の第３の実施例と同様に機能し、パルス 変成器４２は、分路インダクタ４０（図１０及び１２）の分路インダクタンスと して機能するように設計された磁化インダクタンスを有する。このように、第１ 及び第２の電荷が第１電極１６に供給される（又はそこから吸収される）。上記 のように、第１及び第２の電荷は等しい電荷であるから、第１及び第２の時間周 期の後に、ゼロの正味電荷がセル１２に通される。 図１４は、第２の実施形態の第４実施例の詳細な回路図である。上記したよう に、サイラトロンスイッチ２１’は、ＳＰＳＴスイッチ２１（図１３）として働 き、そしてキャパシタ及びインダクタの直列／並列ネットワーク３０’は、パル ス形成ネットワーク３０（図１３）として使用される。パルス変成器４２は、従 来設計のもので、例えば、２０，０００アンペアのピーク電流容量を有する。 以上、特定の実施形態及びその応用について本発明を説明したが、請求の範囲 に規定された本発明の範囲から逸脱せずに多数の変更及び修正がなされることが 当業者に明らかであろう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＵ，ＣＡ，ＪＰ，ＫＲ (72)発明者 ダン ジョセフ イー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 92084 ヴィスタ アルタ ヴィスタ ド ライヴ 1761 (72)発明者 ロイド サミュエル ダブリュー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 91942 ラ メサ ヴィーマック アベニ ュー 6090

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．食品内の生体を不活性化する方法において、 （ａ）食品を第１電極に接触させ、 （ｂ）指定の時間周期中に第１電極に電流信号を付与し、この電流信号は第１ 電極に不活性化電荷を蓄積し、この不活性化電荷により生じる電界は、電界強度 が少なくとも５，０００Ｖ／ｃｍであって、食品を通過して生体を不活性化し、 そして （ｃ）放電周期中に第１電極から実質的に全ての残留電荷を除去し、この残留 電荷は、上記指定時間周期の後に第１電極に残留するものであり、これにより、 放電周期の後には第１電極にほぼゼロの正味電荷が供給されることを特徴とする 方法。 ２．（ｄ）上記段階（ｂ）及び（ｃ）を繰り返す請求項１に記載の方法。 ３．上記段階（ｂ）は、上記電流信号を上記第１電極に上記指定の時間周期中 付与することを含み、上記電流信号は、上記第１電極における電気的な二重層を 規定の電圧まで荷電させ、この規定の電圧は、上記食品内の規定の反応材料種の 反応電圧を、規定のスレッシュホールド時間以上越えないものである請求項１に 記載の方法。 ４．上記段階（ｂ）は、上記電流信号を上記第１電極に上記指定の時間周期中 付与することを含み、上記電流信号は、上記第１電極における第１の電気的二重 層を規定の電圧まで荷電させ、この規定の電圧は、上記食品内の規定の反応材料 種の反応電圧を越えないものであり、これにより、上記食品内の規定の反応材料 種の電気化学的反応を実質的に防止する請求項１に記載の方法。 ５．上記段階（ｂ）は、上記電流信号を上記第１電極に上記指定の時間周期中 付与することを含み、上記指定の時間周期は、次のように定められ、 但し、τは、上記指定の時間周期であり、ρは、上記食品の電気抵抗率であり、 Ｅは、上記電界の電界強度であり、Ｃ_dは、上記第１の電気的二重層の単位面積 当たりの第１キャパシタンスであって、これは、第２の電気的二重層の単位面積 当たりの第２キャパシタンスと直列であり、この第２の電気的二重層は第２電極 にあり、そしてＶ_Rは、上記規定の反応材料種の上記反応電圧である請求項４に 記載の方法。 ６．食品内の生体を不活性化する装置において、 電極に接続された電流発生器を備え、この電流発生器は、指定の時間周期中に 少なくとも１つの電流パルスを電極へ供給し、少なくとも１つの電流パルスは、 少なくとも１つの電荷を定め、少なくとも１つの電流パルスから生じる電界は、 少なくとも５，０００Ｖ／ｃｍの電界強度を有し、少なくとも１つの電荷の供給 に応答して食品を通過し、そしてその生体を不活性化し、 指定の時間周期中に電極にゼロ化電荷を供給する電荷ゼロ化手段を備え、この ゼロ化電荷は、上記少なくとも１つの電荷とあいまって、上記指定の時間周期内 に電極にほぼゼロの正味電荷を供給させることを特徴とする装置。 ７．上記電荷ゼロ化手段は、ゼロ化周期中にバイアス電流を供給するためのバ イアス電源手段を備え、バイアス電流とゼロ化周期が上記ゼロ化電荷を定める請 求項６に記載の装置。 ８．上記電荷ゼロ化手段は、トランスコンダクタンス関数Ｇ（ｓ）を有する受 動的回路手段を備え、但し、ｓは一般化された周波数であり、そしてＧ（０）は ほぼ０である請求項６に記載の装置。 ９．上記電荷ゼロ化手段は、スイッチングデバイスが開状態をとるのに応答し て上記電流発生器により荷電されそしてスイッチングデバイスが閉状態をとるの に応答して放電されるパルス形成ネットワーク手段を備え、このパルス形成ネッ トワーク手段は、これが放電するときに上記少なくとも１つの電荷を供給し、そ してこれが充電するときに上記ゼロ化電荷を供給するためのものである請求項８ に記載の装置。 １０．上記電荷ゼロ化手段は、結合キャパシタ手段を備え、この結合キャパシ タ手段は、これを通して上記少なくとも１つの電荷が上記電極に供給されるのに 応答して上記少なくとも１つの電荷で充電され、そして更に、上記結合キャパシ タ手段から上記少なくとも１つの電荷を放電することにより上記電極に上記ゼロ 化電荷を供給するための放電素子手段を備えた請求項８に記載の装置。 １１．上記電荷ゼロ化手段は、上記少なくとも１つの電荷が上記電極に供給さ れるのに応答して拡張する磁界を発生しそして該磁界の崩壊に応答して上記ゼロ 化電荷を発生するための分路インダクタ手段を備えた請求項８に記載の装置。 １２．上記電荷ゼロ化手段は、上記少なくとも１つの電荷が上記電極に供給さ れるのに応答して磁界を拡張させそして該磁界の崩壊に応答して上記ゼロ化電荷 を発生するためのパルス変成器手段を備えた請求項８に記載の装置。