JPH10503424A - 流体殺菌消毒用装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 微生物の細胞により汚染された水のような導電性液体の連続流を殺菌消毒するための装置。該装置は下記を含む：殺菌消毒すべき液体が流通する容器、および該容器内を流れる液体と接触するように該容器内に置かれた、少なくとも１対の非犠牲電極；該電極間に電圧勾配を生じるように該電極に定常状態電圧が印加される。上記の電圧勾配は、該電極間でアークが発生しないが、少なくとも１ボルトの電圧勾配が該液体中の全ての細胞の膜を横切るように生じて、該細胞膜に絶縁破壊（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）、従って該膜の電気透過性、を生じさせるような勾配である。

Description

【発明の詳細な説明】 流体殺菌消毒用装置発明の詳細な説明 技術分野 本発明は流体を連続工程で殺菌消毒（ｄｉｓｉｎｆｅｃｔｉｎｇ）するための 装置に関する。発明の背景 数世紀にわたって、飲料水から牛乳、薬品製剤、廃水までの広範囲の液体を適 切に殺菌消毒する課題は、多くの種々の方法で取り組まれたが、しかし完全に満 足できる解決策はまだ見出されていない。特に、飲料水の殺菌消毒は特別の問題 を提示する。本発明の方法は飲料水を殺菌消毒するのに特に適しており、本願で 特別に参照して論じられる。しかしながら、本発明の方法および装置は広範囲の 導電性液体の殺菌消毒に使用し得ることが理解されなければならない。 携帯用水ストックは特別の問題を提示する。第１に、それは広範囲の病気を運 ぶ微生物で汚染され得る。該微生物は大きさが非常に多様であり、例えば一つの 可能性のある汚染体は原生動物“ギアルディア（Ｇｉａｒｄｉａ）”であり、こ れは比較的大きい微生物である。しかし同じ水ストックはバクテリアおよびウィ ルスで汚染され得、これらはずっと小さい。従って、水を濾過して微生物を除く ことは、しばしば適切な選択ではない。これらの微生物のいくつかの寸法は非常 に小さいので、多量の水を必要とされる非常に細かいフィルターを通して、これ らの微生物を除くのは実施可能でない。濾過の別の欠点は、混入した微生物を殺 すのではなく、単に除くだけであるので、フィルターが閉塞したか或いは正しく 機能しなくなった時に、目に見える印がないことである。 水の殺菌消毒の別の選択肢は、塩素、次亜塩素酸ナトリウム又はオゾンのよう な化学的殺菌剤を使用することである。化学処理は濾過と組合わせて、又はそれ だけで使用し得る。化学的殺菌消毒は正しく使用されるならば効果的であるが、 多くの欠点がある。第１に、微生物の薬品耐性菌株が発育する傾向があり、薬品 殺菌消毒の使用が長くなるほど、この問題がより起こり易くなる。第２に、多量 の水を迅速に且つ効果的に殺菌消毒するのに十分強力な薬品は人間にも全く有益 でないことが不可避的であり、これらの薬品のいくつかの影響に関し、特に長年 にわたって摂取した場合の関心が増大しつつある。更に、殆んどの人々は水スト ック中の処理薬品の味を検知することができそしてそれを不快に思う。 紫外線照射もまた水ストックに使用し得る。しかしながら、水中のいかなる濁 りもその有効性を低減させ、一般に大規模の処理に適当でない。 数年にわたり提案された別の水の殺菌消毒法は、水に存在する微生物を殺すた めに電気的又は電磁気的処理を用いることである。 水又は他の液体の電気的又は電磁気的な殺菌消毒用の種々のタイプの装置を記 載した非常に多くの提案が従来なされた。これらの従来の提案は以下に論じるが 、従来の提案の一貫した議論は、多くの特許明細書において、使用した方法の詳 細が比較的少ししかなく、大多数の事例で処理の殺菌消毒効果の機構が記載も示 唆さえもされていないという事実により、非常に難しくなっている。多くの従来 の提案の事例で、記載された技術をいかに実施するか或いは少なくとも有効に作 用するのかを知るのは難しい。 従来の提案の一つの大きなグループは電気−水圧ショックとして知られる技術 を扱う。この技術は、流体中の２つの電極間の流体内に電気アークを送ることを 包含する。電気アークはその付近の微生物に急激な機械的ショックを与え、そし ていわば、微生物を棒で打ち殺す。この種の器具は例えば英国特許第１１１８４ ９２、同第１１０８５２４、同第１１０５８７０、米国特許第３４０２１２０お よび米国特許第３３６６５６４に開示されている。電気−水圧ショックによる殺 菌処理の主な欠点は、非常に高い電力が要求されることである。これらの状況下 でアークを発生するには非常に高水準の電力使用が必要となり、このことは工程 をそれに応じて高くする。 水殺菌消毒のための別のタイプの電気的処理法は、電力を用いて一つ又は他の 電極からイオン供給を生じさせることであり、これらのイオンは液体に殺菌消毒 効果を及ぼす。即ち、この処理法は部分的に電気的で部分的に化学的である。こ のタイプの装置は、例えば英国特許第２０３１０２５、米国特許第４７１３１７ ０および米国特許第４９３６９７９に開示されている。かかる方法は、それらの 有効性がいかなるものであっても不可避的に、殺菌消毒のための純粋に化学的な 水処理法の欠点、即ち、供給水を処理に使用したイオンで汚染するという欠点、 を有する。 英国特許第２１９６９５４は静電場効果を用いる殺菌消毒法を開示している。 かかる電場効果が液体を殺菌する機構は明細書に明瞭に記載されていないが、明 細書から明らかなことは、非常に高い電圧が必要とされ（典型的にはＡＣ ５０ ，０００ボルト）、そして少なくとも電極の一つは液体から電気的に絶縁されな ければならないということである。 電磁場効果を用いる殺菌消毒はＰＣＴ／ＷＯ８８／０５７６３、英国特許第１ ５５４８９３および英国特許第７１３１６１に開示されている。電磁場が液体を 殺菌消毒する明確な機構は記載されていないが、三つの明細書の全ては殺菌作用 を高周波電磁場に頼っているようである。 別の大きいグループの従来技術明細書は、液体を一連の電気的インパルス、即 ち一方向性ワンーオフパルス、を通過させることにより該液体を殺菌消毒するこ とを開示している。このタイプの方法の例はＥＰＡ ３０ １４８３８０、ＥＰ Ａ ３０ ２８３７００、ＥＰＡ ００６０１９３、米国特許２０８１２４３、 英国特許２１２２８７０、および英国特許８４５７４３に記載されている。これ らの明細書の全ては特定の電流又は電圧範囲を述べていないが、この技術を有効 に用いるには、高電圧および比較的高い電流密度が必要であるのが明らかなよう である。パルス作用が殺菌消毒に必要であることが明らかにされた。インパルス を発生させるには、比較的複雑で且つ高価な設備が必要であり、そしてインパル スは時間間隔があるので、この技術は、一回分の液体をある処理が完了するまで 保持するバッチ法にのみ安全である。この技術を連続法に用いると、微生物がイ ンパルス間に処理領域を通過しそして未処理のままで出る危険がある。この技術 のいくつかは、処理すべき液体を多重の組の電極を通すことにより、この問題を 克服しようと試みることが記載されている。 広範囲に関連する方法が英国特許１０３８４０５、ドイツ特許２０３７５６９ 、および米国特許３７５３８８６に開示されており、これらの全ては電流作用、 即 ち、殺菌消毒すべき液体を通過する電流の効果による殺菌消毒を開示し、必要な 殺菌消毒作用を生じると言われる。これらの特許は液体を横切る電圧が重要であ ることは示唆せず、殺菌消毒するのは純粋に電流の作用だけである。しかしなが ら、本発明の基礎となる研究は、有効な殺菌消毒には、液体に印加される電圧は 閾値を越えなければならないことを示す。発明の開示 本発明の目的は、導電性液体を殺菌消毒（ｄｉｓｉｎｆｅｃｔｉｎｇ）するた めの方法および装置であって、従来の装置よりも建造および使用が安価であり、 そして迅速で低コストで効果的な殺菌消毒が可能な方法および装置を提供するこ とである。 本発明は、微生物の細胞を含む導電性液体の連続流を殺菌消毒するための装置 を提供し、該装置は下記を含む： 殺菌消毒すべき液体が使用時に流通する、入口および出口を有する容器； 該容器内を流れる液体と接触するように該容器内に置かれた、少なくとも１対 の非犠牲電極； 該電極間に電圧勾配を生じるように該電極に定常状態電圧を印加するための手 段； ここで上記の電圧勾配は、該電極間でアークが発生しないが、少なくとも１ボ ルトの電圧勾配が該液体中の全ての細胞の膜を横切るように生じて、該細胞膜に 絶縁破壊（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）、従って該膜の電気透 過性、を生じさせるような勾配である。 細胞膜に必要な電圧を生じさせるのに要する電極間の電圧は液体の導電性およ び電極の間隔、並びに細胞の大きさおよび細胞膜の分極に依存する。 本願で使用される“定常状態”電圧の用語は一定のＤＣ電圧又はＡＣ電圧を云 い、電気的インパルス、即ち一方向性のワンーオフパルスは除かれる。 本発明はまた、下記の工程を含む液体の殺菌消毒法を提供する：上記の装置を 供給し；上記の電極間に電極勾配を生じさせ；そして液体が該電圧勾配を通過す るように、該液体を上記の装置内を流通させる。発明を実施するための態様 図１を参照すると、装置は、入口３および出口４を有する管形状の容器２を有 する。該管内には、１対の非電極５、６が互いに反対側に置かれている。各電極 は、主電源でその出力が（典型的には）ＡＣ又はＤＣの５，０００ボルト、０． ２アンペアの電源７の一つの端子に接続されている。 使用時には、殺菌消毒すべき液体（例えば水）は容器２内を入口３から出口４ へと流れ、一方、電圧が電極５および６の間に印加される。電極５、６は殺菌消 毒する液体と接触しており、二つの電極５、６間を流れる液体の一部分を横切っ て電圧勾配が生じる。 細胞の膜が破れ（即ち、膜内に穴が生じ）そしてその穴が十分に大きいと、細 胞はそれ自体でいやすことができず、死滅することが知られている。 本発明では、微生物を殺すのは細胞膜を横切る電圧勾配の存在であると思われ る。電圧勾配は膜の絶縁破壊を起こし、細胞膜を電気透過性にし、そして該膜内 に穴を生じさせる。電圧勾配が十分大きいと、電圧勾配を取り除いてもこれらの 穴は大きすぎていやすことができず、細胞は死滅する。 殺菌消毒するのは電気−水圧ショック又は電流効果ではなくて、電圧勾配であ る。電極５、６間にはアーク発生がなく、少しの電流が流れるだけである。 液体の導電率が微生物の導電率に近づくと、問題が起こり得る。何故なら、細 胞膜を横切って必要な電圧勾配を確立させるのが不可能となるからである。 ＤＣ（直流）はＡＣ（交流）よりも効果的である。何故なら、電圧が必要な電 圧勾配を確立するのに十分な値に達しない正弦曲線的な変動の部分にＡＣがある 間、微生物が処理領域を通過する危険性がＤＣにはないからである。これは閾値 デッドバンドと呼ぶことができる。しかし、ＤＣを用いる場合の問題は、電極の 電気分解が起こり得ることである。 ＤＣおよびＡＣの両方の波形は殺菌消毒の役割に有効であることが示されたが 、電気分解およびデッドバンドの問題は直線形のＡＣ波形を用いることにより克 服できる。これは、正と負のＤＣバス（ｂｕｓｅｓ）間の電圧を急速に切換える ことにより得られる。ＡＣの波形の性質は電気分解を阻止し、そして直線形の波 型は切換え領域以外の全てのデッドバンドを除去する。 図２は、図１の装置の更に複雑な変形例を示す。図１におけるように、容器２ は入口３と出口４を有する。処理すべき水はこの容器２を流通する。該容器内に は、処理すべき水と接触して二つの平行な非犠牲（ｎｏｎ−ｓａｃｒｉｆｉｃｉ ａｌ）電極５および６がある。しかしながら図２の態様では、ＡＣ主電源７ａは 昇圧変圧器８、整流器９、および平滑キャパシタ１０を通って供給されて、電極 ５および６の間に、５，０００ボルトＤＣ供給を与える。 電極５および６はステンレス鋼製である。 処理すべき水は、入口３に入る前に、化学脱イオン器１１のような公知の型の 脱イオン器を通過しそして次に公知の型のガス捕捉器１２を通過する。 脱イオン器は不可欠ではないが、処理される水の導電性を低下させ、従って電 流の要求を低減するという点で有利である。このことはかなりのエネルギーの節 減となる。 ガス捕捉器１２も同様に不可欠ではないが、ガス泡が流体中に存在すると、電 極間で絶縁破壊およびアークが発生し得るので、ガス泡が流体中に存在する場合 には必要となり得る。 図１の装置を用いた時のように、使用中に電極５および６の間でアーク発生が ないが、単に電圧勾配が確立され、その中を処理すべき水が容器２を出口４に向 かって流れる。 しかしながら、流速が非常に低いと（０．２ｍｌ／分程度）、ガス泡（水素お よび酸素と思われる）が電極に形成する；これは印加電圧が上昇するにつれてア ーク発生となる。この問題は流速を高めるか、或いはＡＣ周波数を主電源周波数 より大きくすることにより克服することができる。 ＤＣ電圧供給の使用は水中のバクテリアの殺害速度を増大するようであるが、 非常に満足できる効果がＡＣ供給を用いることにより達成できる。従って図２の 態様においては、昇圧変圧器からのＡＣ出力を電極５および６に接続することに より、満足な殺菌消毒を達成することが可能であろう。 室（容器）２は絶縁材料で作られ、内部を層状流体が流れるように設計されて いる。電極はステンレス鋼又はチタンで作られるのが好ましい。 上記の装置は１対以上の電極５および６を使用するように変更してもよい。こ の場合、電極対は、容器２の長さ方向に沿って間隔をあけ、各対の電極は電気供 給源の対応する端子に接続する。例えば、３相電気供給源を用いると、一つの電 極対は各相に接続できる。 脱イオン器は限られた機能寿命を有するが、脱イオン器の有効性は単に装置に より引き出される電流を測定することにより監視することができる。即ち、脱イ オン器が有効でなくなるにつれて、処理される水中により多くのイオンが存在す るようになり、従って水の導電性は増大して、水が電極５および６の間を移動す る際に多量の電流が水中を流れる。この電流を監視することにより、脱イオン器 の有効性を監視することができ、そして脱イオン器が有効に機能しなくなったと きに、システムを自動的に停止する。 装置が特定の液体を殺菌消毒するように設定するには、まず殺菌消毒すべき液 体の導電率を測定するのが必要である。これは公知の方法によって行うことがで きる。 次に、装置を通過する液体の所望の流速を決め、装置の寸法を、この流速が可 能となるような寸法にする。電極対の数、寸法および電極間の間隔を、液体の導 電率および所望の流速に基づいて決定する。 最後に、電極に適用される電圧勾配を、液体の導電率、電極の寸法および間隔 、微生物の細胞の大きさおよび形状、および微生物膜の分極に基づいて決定する 。これらの因子の全ては簡単な慣例の実験によって決定し得るか、或いは文献か ら知られている。 設定した装置は、該装置で処理する前のサンプル中の生きた微生物の数を数え 、図２を参照して前述した方法により液体を該装置内に通し、そして処理した液 体サンプル中の生きた微生物の数を数えることにより、試験する。装置中の液体 に印加される電圧を必要に応じて調節して、所望の微生物殺害速度を与えるよう にする。 表ＩおよびIIは、それぞれバクテリア エシェリヒア コリ（Ｅｓｃｈｅｒｉ ｃｈｉａ ｃｏｌｉ ）（“Ｅ．Ｃｏｌｉ”）およびセラシア マルセセンス（ｓ ｅｒｒａｔｉａ ｍａｒｃｅｓｃｅｎｓ ）で汚染された水を用いて実施した試験 結果を示す。これらのバクテリアの両方ともに腸内グループバクテリアの１種で あり、幅０．５μｍおよび長さ約１μｍを越えない小さい丸形細胞を有するグラ ム陰性である。 Ｅ．Ｃｏｌｉは人間および他の脊椎動物の腸管内に普通にあり、Ｅ．Ｃｏｌｉ が混入した食物又は液体を摂取すると、バクテリア性赤痢のような胃腸の伝染病 を引き起こし得る。 Ｅ．Ｃｏｌｉは通常の水汚染物質であるので、試験用に選ばれた。 表Ｉの試験用の装置は、断面が１２ｍｍ×２ｍｍで長さが１２ｍｍの長方形断 面の管から成る。一対の電極を使用し、各電極は長さ１２ｍｍ、幅１ｍｍであっ た。電極は互いに管の反対側に間隔２ｍｍで配置した。 セラシア マルセセンスはよくある水および土壌生物である。 セラシア マルセセンスはＥ．Ｃｏｌｉよりも小さくそして赤い顔料を含むの で、プレート上で試験物質を発育させた場合、よく目で見ることができるので、 試験用に選ばれた。またセラシア マルセセンスは人間に無害であるので、安全 な試験用微生物である。 表IIの試験の装置は断面２５ｍｍ×２ｍｍ、長さ２５ｍｍの長方形断面の管か ら成る。１対の電極を使用したが、各電極は長さ２５ｍｍ、幅１ｍｍであった。 電極を互いに管の反対側に２ｍｍの間隔で配置した。 上記の表で、冒頭の“電圧”とは電極に印加された電圧を云うことが理解され るであろう。図面の簡単な説明 図１は、本発明の基本的必須要素を略図の形体で示す。 図２は、本発明の装置の更に詳しい形状を略図の形体で示す。

───────────────────────────────────────────────────── 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)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＴ， ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 ジャクアリィ，アンドリュー，ゴードン ニュージーランド国 ウェリントン，ティ タヒ ベイ，ヒアウイニ ストリート 41

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．微生物の細胞を含む導電性液体の連続流を殺菌消毒するための下記を含む装 置： 殺菌消毒すべき液体が使用時に流通する、入口および出口を有する容器； 該容器内を流れる液体と接触するように該容器内に置かれた、少なくとも１対 の非犠牲電極； 該電極間に電圧勾配を生じるように該電極に定常状態電圧を印加するための手 段； ここで上記の電圧勾配は、該電極間でアークが発生しないが、少なくとも１ボ ルトの電圧勾配が該液体中の全ての細胞の膜を横切るように生じて、該細胞膜に 絶縁破壊、従って該膜の電気透過性、を生じさせるような勾配である。 ２．上記の定常状態電圧が直流である、請求項１記載の装置。 ３．上記の定常状態電圧が交流である、請求項１記載の装置。 ４．上記の交流が直線形波形である、請求項３記載の装置。 ５．上記の容器が管状であり、そして対になった電極が該容器内に置かれそして 該容器の直径に等しい距離だけ離れている、先行請求項のいずれか１項記載の装 置。 ６．上記の容器が長方形断面を有する、先行請求項のいずれか１項記載の装置。 ７．上記の容器に連結された脱イオン器を更に含み、該容器内の殺菌消毒すべき 液体がまず該脱イオン器内を流れる、先行請求項のいずれか１項記載の装置。 ８．上記の脱イオン器と容器との間に連結されたガス捕獲器具を更に含む、請求 項７記載の装置。 ９．上記の定常状態電圧を供給するための手段が、昇圧変圧器、整流器、および 平滑キャパシタを経て該電極に接続された主交流電気供給器から成る、請求項１ 記載の装置。 １０．上記の電極がステンレス鋼である、先行請求項のいずれか１項記載の装置 。 １１．微生物の細胞を含む導電性液体の連続流を殺菌するための、下記を特徴と する方法： 先行請求項のいずれか１項記載の装置を供給する； 対になった電極間に電圧勾配を生じさせる；そして 該液体が該電圧勾配を通過するように、該液体を該装置内を流通させる。