JP6671683B2 - 液状物質の殺菌方法及び装置 - Google Patents
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Description
本発明の液状物質の殺菌方法は、液状物質を回転翼により撹拌することにより液状物質にキャビテーションを起こさせ、それによって液状物質中に発生する気泡中でプラズマ発生機構によりプラズマを発生させ、プラズマの発生により生成される酸素ラジカルの酸化力により、液状物質中の微生物を殺菌するようにしたものである。
これにより、液状物質中にキャビテーションによる微細気泡を効率よく発生させることができるとともに、この微細気泡中でプラズマ発生機構によりプラズマを効率よく、均一に発生させることができ、小型の設備、装置で、大きな殺菌効果を得ることができる。
以下、本発明の液状物質の殺菌方法を実施する、本発明の液状物質の殺菌装置の一実施形態を、図1〜図6に基づいて説明する。
この殺菌装置100は、液状物質Rを供給する液状物質供給部Xと、液状物質供給部Xから供給される液状物質Rを負圧吸引して撹拌する吸引撹拌ポンプYと、キャビテーションによって吸引撹拌ポンプYから吐出された液状物質R中に発生する気泡中でプラズマを発生させるプラズマ発生機構Zと、その下流側で、吸引撹拌ポンプYから吐出された液状物質Rの少なくとも一部を吸引撹拌ポンプYに循環供給する再循環機構部70とを備えて構成されている。
図1に示すように、液状物質供給部Xは、貯留タンク51に貯留された液状物質Rを、吸引撹拌ポンプYの第1の供給部11に連続的に供給するように構成されている。
具体的には、液状物質供給部Xは、液状物質供給管51Rを介して供給される液状物質Rを貯留し、送出する貯留タンク51と、貯留タンク51から液状物質Rが送出される送出ポンプ52Pを介在させた供給管52と、貯留タンク51から供給管52に送出される液状物質Rの流量を設定流量に調整する流量調整バルブ(図示せず)と、供給管52を吸引撹拌ポンプYの第1の供給部11に接続する導入機構60とを備えて構成されている。
ここで、貯留タンク51は、後述するように、排出路22からの液状物質Rが導入されるように構成されている。
また、貯留タンク51には、撹拌機構51Kを配設するとともに、貯留タンク51内を大気圧に保持する空気(気体)Gの入出管51G及び殺菌処理された液状物質Rの排出路53を接続するようにする。
図1及び図2〜図6に基づいて、吸引撹拌ポンプYについて説明する。
図2に示すように、吸引撹拌ポンプYは、両端開口が前壁部2と後壁部3とで閉じられた円筒状の外周壁部4を備えたケーシング1を備え、そのケーシング1の内部に同心状で回転駆動自在に設けられたロータ5と、そのケーシング1の内部に同心状で前壁部2に固定配設された円筒状のステータ7と、ロータ5を回転駆動するポンプ駆動モータM等を備えて構成されている。
円筒状のステータ7には、絞り流路となる複数の透孔7a、7bが周方向に夫々並べて備えられ、そのステータ7が、ロータ5の前方側(図2の左側)で、かつ、回転翼6の径方向の内側に位置させて前壁部2に固定配設されて、そのステータ7とケーシング1の外周壁部4との間に、排出室を兼ねた、回転翼6が周回する環状の翼室8が形成されている。
図2及び図4に示すように、ケーシング1の前壁部2の内面に環状溝10が形成され、環状溝10と連通する状態で第1の供給部11が設けられている。
図2及び図3に示すように、液状物質Rを吐出する円筒状の吐出部12が、ケーシング1の円筒状の外周壁部4の周方向における1箇所に、その外周壁部4の接線方向に延びて翼室8に連通する状態で設けられている。
また、図2〜図4に示すように、ステータ7の内周側を前壁部2側の第1の導入室13とロータ5側の第2の導入室14とに区画する仕切板15が、ロータ5の前方側に当該ロータ5と一体回転する状態で設けられるとともに、仕切板15の前壁部2側に掻出翼9が設けられている。掻出翼9は、同心状に、周方向において均等間隔で複数(図4では、4つ)備えられ、各掻出翼9がその先端部9Tを環状溝10内に進入した状態でロータ5と一体的に周回可能に配設されている。
具体的には、第1の導入室13と翼室8とは、ステータ7における第1の導入室13に臨む部分に周方向に等間隔で配設された複数の第1の導入室13側の透孔7aにて連通され、第2の導入室14と翼室8とは、ステータ7における第2の導入室14に臨む部分に周方向に等間隔で配設された複数の第2の導入室14側の透孔7bにて連通されている。
図2に示すように、ロータ5は、その前面が概ね円錐台状に膨出する形状に構成されるとともに、その外周側に、複数の回転翼6が前方に突出する状態で等間隔に並べて設けられている。なお、図3では、周方向に等間隔に10個の回転翼6が配設されている。また、この回転翼6は、内周側から外周側に向かうに連れて、回転方向後方に傾斜するようにロータ5の外周側から内周側に突出形成されており、回転翼6の先端部の内径は、ステータ7の外径よりも若干大径に形成されている。
このロータ5が、ケーシング1内においてケーシング1と同心状に位置する状態で、後壁部3を貫通してケーシング1内に挿入されたポンプ駆動モータMの駆動軸19に連結されて、そのポンプ駆動モータMにより回転駆動される。
そして、ロータ5が、その軸心方向視(図3に示すような図2のV−V方向視)において回転翼6の先端部が前側となる向きに回転駆動されることにより、回転翼6の回転方向の後側となる面(背面)6aには、キャビテーション(局所沸騰)が発生するように構成されている。
そして、図2及び図3に示すように、この仕切板15が、頂部の筒状摺接部15aがケーシング1の前壁部2側を向く姿勢で、周方向に等間隔を隔てた複数箇所(この実施形態では、4箇所)に配設された間隔保持部材20を介して、ロータ5の前面の取付部5aに取り付けられる。
掻出翼9は、仕切板15に固定される基端部9B、第1の導入室13に露呈する状態となる中間部9M、環状溝10に嵌め込まれる(すなわち、進入する)状態となる先端部9Tを基端から先端に向けて一連に備えた棒状に構成されている。
図3、図4、図5(a)及び(b)に示すように、掻出翼9の中間部9Mは、横断面形状が概ね三角形状になる概ね三角柱状に構成されている(特に、図3参照)。そして、掻出翼9が上述の如き傾斜姿勢で設けられることにより、三角柱状の中間部9Mの三側面のうちのロータ5の回転方向前側を向く一側面9m(以下、「放散面」と記載する場合がある。)は、ロータ5の回転方向前側に向けて傾斜する前下がり状で、しかも、ロータ5の径方向に対して径方向外方側に向く(以下、「斜め外向き」と記載する場合がある。)ように構成されている(特に、図4及び図5参照)。
また、四角柱状の先端部9Tの四側面のうちの、ロータ5の回転方向前側を向く掻き出し面9fは、ロータ5の回転方向前側に向けて傾斜する前下がり状で、しかも、ロータ5の径方向に対して径方向外方側に向く(以下、「斜め外向き」と記載する場合がある。)になるように構成されている。
これにより、掻出翼9の先端部9Tにより環状溝10から掻き出された液状物質Rは、掻出翼9の先端部9Tの掻き出し面9fにより、ロータ5の径方向外方側に向けて第1の導入室13内に放出されることになる。
さらに、掻出翼9の先端部9Tの先端面9tは、その先端部9Tが環状溝10に嵌め込まれた状態で環状溝10の底面と平行になるように構成されている。
これにより、ロータ5の膨出状の前面と仕切板15の後面との間に、ケーシング1の前壁部2側ほど小径となる先細り状の第2の導入室14が形成され、第2の供給部17が仕切板15の筒状摺接部15aを介して第2の導入室14に連通するように構成されている。
また、ケーシング1の前壁部2と仕切板15の前面との間に、第1の供給部11に連通する環状の第1の導入室13が形成される。
再循環機構部(分離部の一例)70は、円筒状容器71内において液状物質Rを分離するように構成され、図1に示すように、吸引撹拌ポンプYの吐出部12から吐出路18を通して供給される液状物質Rから気泡を分離し、その一部(例えば、10〜90%の任意の割合)の液状物質Rを循環流路16に、残部の液状物質Rを、液状物質Rに含まれる気泡と共に、排出路22にそれぞれ分離して供給するように構成されている。吐出路18及び循環流路16は、夫々、円筒状容器71の下部に接続され、排出路22は、円筒状容器71の上部に形成された排出部73から貯留タンク51に接続される。
ここで、再循環機構部70は、図6に示すように、吐出路18が接続される導入パイプ72を円筒状容器71の底面から内部に突出して配設し、円筒状容器71の上部に排出路22に接続される排出部73を備えるとともに、下部に循環流路16に接続される循環部74を備え、導入パイプ72の吐出上端に、導入パイプ72から吐出される液状物質Rの流れを旋回させる捻り板75を配設して構成されている。これにより、気泡を含まない液状物質Rを、循環流路16を介して、第2の導入室14内に供給するようにしている。
殺菌装置100に備えられる制御部は、図示しないが、CPUや記憶部等を備えた公知の演算処理装置からなり、殺菌装置100を構成する液状物質供給部X、吸引撹拌ポンプY等の各機器の運転を制御可能に構成されている。
特に、制御部は、回転翼6の周速度(ロータ5の回転数)を制御可能に構成され、第1の導入室13及び第2の導入室14内の圧力が所定の負圧状態となるように、回転翼6の周速度(ロータ5の回転数)を設定し、当該設定された周速度(ロータ5の回転数)で回転翼6を回転することで、少なくとも、ステータ7の第1の導入室13側の透孔7a及び第2の導入室14側の透孔7bを通過した直後の翼室8内の領域を、翼室8内の全周に亘って連続して、液状物質Rの微細気泡(マイクロバブル)が多数発生した微細気泡領域(キャビテーション(局所沸騰)による気泡発生領域)として形成させることができるように構成されている。
吸引撹拌ポンプYの吐出部12に接続された、液状物質Rが通過する吐出路18に、プラズマ発生機構Zを配設するようにする。
プラズマ発生機構Zは、図1(b)に示すように、吸引撹拌ポンプYの吐出部12と再循環機構部70とを接続する吐出路18内に設置される、銅、タングステン等の金属からなる電極81と、電極81間にパルス電圧を印加するための電源82とで構成されている。
このプラズマ発生機構Zは、絶縁性の気泡領域で、パルス電圧による高電圧絶縁破壊放電により気化物が電離(プラズマ化)して液中プラズマを発生させるものである。
次に、この殺菌装置100の動作について説明する。
まず、液状物質供給部Xの貯留タンク51に、液状物質供給管51Rを介して、殺菌処理の対象となる液状物質Rを供給し、貯留するようにする。
そして、液状物質供給部Xの貯留タンク51から液状物質Rを供給しながらロータ5を回転させ、吸引撹拌ポンプYの運転を所定時間継続する。
これにより、図2及び図3において実線矢印にて示すように、第1の供給部11を流動して環状溝10に導入された液状物質Rは、環状溝10に嵌め込まれて周回する掻出翼9の先端部9Tにより掻き出され、その掻き出された液状物質Rは、概略的には、第1の導入室13内を仕切板15における漏斗状部15bの前面と環状平板部15cの前面とに沿いながらロータ5の回転方向に流動し、さらに、ステータ7の第1の導入室13側の透孔7aを通過して翼室8に流入し、その翼室8内をロータ5の回転方向に流動して、吐出部12から吐出される。
つまり、第1の導入室13内の液状物質Rに剪断力を作用させるとともに、局所沸騰を発生させることができるので、掻き出される液状物質Rは、掻出翼9及び第1の導入室13側の透孔7aから剪断作用を受けるとともに、掻出翼9の背面9aには、キャビテーション(局所沸騰)が発生する。
ここで、前記負圧状態は、圧力計80により測定した第1の導入室13及び第2の導入室14内の圧力をいう。
そして、このプラズマ発生機構Zの電源82によって電極81の間にパルス電圧を印加する。
これによって、キャビテーションにより液状物質R中に発生する気泡中でプラズマを発生させ、液状物質Rに対して液中プラズマ処理を行うようにする。
この液中プラズマ処理により、液状物質R中にヒドロキシルラジカル(hydroxyl radical)等の酸素ラジカルを生成させ、プラズマの発生により生成される酸素ラジカルの酸化力により、液状物質R中の微生物を殺菌することができる。また、電極81間の電界(プラズマ生成前に電極間に高電圧が印加されるときに生じる電界)やプラズマ生成時にプラズマから放出される紫外線による殺菌効果も期待できる。特に、液状物質Rを回転翼6により撹拌することにより、液状物質R中にキャビテーションによる微細気泡を効率よく発生させることができるとともに、この微細気泡中でプラズマ発生機構Zによりプラズマを効率よく、均一に発生させることができ、小型の設備、装置で、大きな殺菌効果を得ることができる。
そして、貯留タンク51に貯留されている殺菌処理された液状物質Rは、排出路53を介して排出される。
1.試験菌
Escherichia coli NBRC 3301(大腸菌)
2.菌数測定用培地及び培養条件
SCDLP寒天培地(日本製薬社製)、混釈平板培養法、35℃±1℃、2日間
3.試験菌液の調製
試験菌を普通寒天培地(栄研化学社製)で35℃±1℃、18〜24時間培養した後、精製水に浮遊させ、菌数が約108/mLとなるように調製し、試験菌液とした。
4.検体の前処理
殺菌装置100(以下、「検体」という。)に約0.02%となるように調製した次亜塩素酸ナトリウム溶液を液状物質供給部Xの貯留タンク51に投入し、検体をプラズマなしの条件で15分間作動させた。排水後、水道水、0.002%チオ硫酸ナトリウム添加水道水、蒸留水の順で検体内をすすぎ、排水を行った。
5.試験操作
前処理後の検体に蒸留水1L及び試験菌液1mLからなる試験液を液状物質供給部Xの貯留タンク51に投入した。検体を以下に示す試験条件で作動させた後、経時的に検体を停止させ、試験液を採取した。採取後、検体を再作動させた。また、採取後の試験液は、SCDLP寒天培地(日本製薬社製)で直ちに100倍に希釈し、試験液中の生菌数を、菌数測定用培地を用いて測定した。なお、検体作動前の試験液についても生菌数を測定し、開始時とした。
6.試験条件
殺菌装置100の吸引撹拌ポンプYのロータ5を回転駆動するポンプ駆動モータMの回転数:7200rpm
プラズマ発生機構Z:200V(7A)、1.5μs(パルス幅)、60kHz
処理時間:1、5、10、20及び30分
検体作動条件1:タングステン電極
検体作動条件2:銅電極
検体作動条件3:プラズマなし(キャビテーションのみ)
一方、キャビテーション作用のみで、液中プラズマ処理を行わない、検体作動条件3では、殺菌効果が小さいことを確認した。
これにより、簡易な機構によって液状物質Rにキャビテーションによる微細気泡を効率よく発生させることができる。
この液中プラズマ処理により、液状物質R中にヒドロキシルラジカル(hydroxyl radical)等の酸素ラジカルを生成させ、プラズマの発生により生成される酸素ラジカルの酸化力により、液状物質R中の微生物を殺菌することができる。
なお、本実施例においては、吸引撹拌ポンプYによって、液状物質Rに流速を付与するようにしているが、液状物質Rに流速を付与する流速付与機構は、これに限定されず、汎用のポンプ等に水流発生機構を用いることができる。
Y 吸引撹拌ポンプ
Z プラズマ発生機構
R 液状物質
G 空気(気体)
1 ケーシング
2 前壁部
3 後壁部
4 外周壁部
5 ロータ
6 回転翼
6a 背面部
7 ステータ
7a 絞り流路(透孔)
7b 絞り流路(透孔)
8 翼室(排出室)
9 掻出翼
10 環状溝
11 第1の供給部
12 吐出部
13 第1の導入室
14 第2の導入室
14a 絞り部
15 仕切板
16 循環流路
17 第2の供給部
22 排出路
51 貯留タンク
52 供給管
52P 送出ポンプ
60 導入機構
70 再循環機構部
71 円筒状容器(分離部)
80 圧力計
81 電極
82 電源
90 障害物
100 殺菌装置
Claims (5)
- 回転翼の回転により生じる負圧吸引力によって液状物質を負圧吸引し、該吸引した液状物質を回転翼により撹拌することによりキャビテーションを起こさせる吸引撹拌ポンプを備えるとともに、前記吸引撹拌ポンプに連なる液状物質が吐出される吐出管に、キャビテーションによって液状物質中に発生する気泡中でプラズマを発生させるプラズマ発生機構を備えてなることを特徴とする液状物質の殺菌装置。
- 前記吸引撹拌ポンプが、回転翼により撹拌することによって流速を付与した液状物質を通過させる絞り流路を備えてなることを特徴とする請求項1に記載の液状物質の殺菌装置。
- 前記吸引撹拌ポンプから吐出された液状物質を吸引撹拌ポンプに循環させる循環流路を備えてなることを特徴とする請求項1又は2に記載の液状物質の殺菌装置。
- 前記吸引撹拌ポンプに連なる液状物質が吐出される吐出管のプラズマ発生機構の電極の上流側に、液状物質にキャビテーションを起こさせる障害物を設置したことを特徴とする請求項1、2又は3に記載の液状物質の殺菌装置。
- 前記プラズマ発生機構が生起する放電形態が、グロー放電であることを特徴とする請求項1、2、3又は4に記載の液状物質の殺菌装置。
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