(57)【要約】液体中に生存する病原体を有する液体を少なくとも部分的に滅菌するために、方法および装置（１００，２００，４００，５００，６００，７００，８００，９００，１０００）を提供する。生きた病原体を含む液体を、反応ボリューム（１０６．５０６．１０２６）内に入れ、非熱プラズマを反応ボリューム（１０６，５０６，１０２６）内で発生させ、それにより液体内の病原体の少なくとも一部を死滅させる。
2004522455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生存する病原体を含む液体を少なくとも部分的に滅菌する方法であって、該方法が、
（ａ）生存する病原体を含む前記液体を気体と混合して液体―気体混合物を形成し、
（ｂ）反応ボリューム内で非熱プラズマを発生することにより前記反応ボリューム内の前記液体―気体混合物を処理し、それにより前記液体―気体混合物の前記液体内の前記病原体の少なくとも一部分を死滅させる方法。
【請求項２】
（ａ）生存する病原体を含む哺乳生物注入液を前記気体と混合することを含むステップ（ａ）と、
（ｂ）前記非熱プラズマを用いて前記哺乳生物注入液内の前記病原体の少なくとも一部分を死滅させることからなるステップ（ｂ）とを含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記哺乳生物注入液が、生存する哺乳動物により栄養物として消費され、同化されることが可能な液体食品からなることを含む、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記哺乳生物注入液が、水、ジュース、牛乳、ソフトドリンク、風味添加の非炭酸飲料およびスープからなる群から選択される、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記ステップ（ｂ）が、前記液体中に生存する前記病原体の量を少なくとも５対数減少させることを含む、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記ステップ（ａ）が、前記液体を前記反応ボリュームを介して送ることを含む、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記ステップ（ａ）が、前記液体を前記反応ボリュームを介して散布することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記ステップ（ａ）が、気体泡を前記液体に導入して、前記液体―気体混合物を発生させることを含む、請求項１記載の方法。
【請求項９】
（ｃ）前記ステップ（ｂ）の処理の間、前記液体中に実質的に均一に分布された前記気体泡を維持することをさらに含む、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記ステップ（ｃ）が、
（ｃ）（１）前記反応ボリューム内の前記液体を、周囲圧力より高い圧力下で維持することを含む、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記ステップ（ａ）が、
（ａ）（１）前記液体をベンチュリ管混合器の主流路を通過させ、
（ａ）（２）前記気体を前記液体に混合するために、前記主流路に連結されている、前記ベンチュリ管混合器の気体注入口に前記気体を導入することを含む、請求項８記載の方法。
【請求項１２】
前記液体―気体混合物が、０．１対２０の気体量対液体量の割合を有している、請求項８記載の方法。
【請求項１３】
前記気体泡が、空気、酸素、オゾンおよび窒素からなる群から選択される気体を含む、請求項８記載の方法。
【請求項１４】
前記気体泡が、１００容量％の酸素からなる、請求項８記載の方法。
【請求項１５】
前記ステップ（ｂ）が、
（ｂ）（１）前記反応ボリュームに隣接した少なくとも１つの非熱プラズマ電極を有する非熱プラズマ反応器を用いて前記プラズマを発生させることと、
（ｂ）（２）少なくとも１つの誘電バリアを用いて、前記非熱プラズマ反応器の全ての前記非熱プラズマ電極から前記液体を、物理的に隔離し、電気的に絶縁することとを含む、請求項１記載の方法。
【請求項１６】
前記ステップ（ｂ）がさらに、
（ｂ）（３）前記液体を、注入口が第１の断面積を有する前記非熱プラズマ反応器の前記注入口へ通過させることと、
（ｂ）（４）前記液体が前記プラズマにより処理された後で、前記液体を、注出口が前記第１の断面積より小さい第２の断面積を有する、前記非熱プラズマ反応器の前記注出口へ通過させることとを含む、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記ステップ（ｂ）が、互いに直列に連結している複数の非熱プラズマ反応器内で、前記非熱プラズマを発生させることと、前記液体―気体混合物を前記複数の非熱プラズマ反応器へ通過させることと、前記液体中に生存する前記病原体量の所望のレベルの減少に基づいて、前記複数の非熱プラズマ反応器の多くを変化させることとを含む、請求項１記載の方法。
【請求項１８】
請求項１記載の方法であって、
前記ステップ（ｂ）が、前記反応ボリュームの回りに互いに相対している第１および第２のメッシュ電極を有する非熱プラズマ反応器を用いて、前記非熱プラズマを発生させることと、前記第１および前記第２のメッシュ電極に異なる電位を印加して、前記非熱プラズマを前記反応ボリューム内で発生させることとを含み、
前記ステップ（ａ）が、前記液体―気体混合物を、前記第１のメッシュ電極の開口部へ、次に前記反応ボリュームへ、その後に前記第２のメッシュ電極の開口部へ通過させることとを含む、請求項１記載の方法。
【請求項１９】
液体食品低温殺菌装置であって、
液体食品注入口と、
前記液体食品注入口に連結されている処理流路と、
前記液体食品注入口から、前記処理流路を介して液体食品を送るための前記処理流路に連結されているポンプと、
前記処理流路に連結されており、前記液体食品に注入される気体を受け入れる気体注入口を有する気体注入器と、
前記処理流路で連結されている非熱プラズマ反応器とを含み、該非熱プラズマ反応器が、液体食品注入口と、液体食品注出口と、前記液体食品注入口と前記液体食品注出口との間の反応ボリュームと、前記反応ボリュームに隣接した少なくとも１つの非熱プラズマ電極とを含み、前記非熱プラズマ反応器では、各非熱プラズマ電極が、誘電バリアにより前記流路から物理的、電気的に隔離されている液体食品低温殺菌装置。
【請求項２０】
前記気体注入器が、外前記処理流路と直列に連結されている主流路を有するベンチュリ管気体混合器と、前記気体注入口に連結されている前記主流路内のフロー狭窄部とを含む、請求項１９記載の液体食品低温滅菌装置。
【請求項２１】
前記非熱プラズマ反応器がボリューム放電反応器からなり、該ボリューム放電反応器が、
接地電極と、
前記接地電極と並列であって、間隙により前記接地電極と分離された高電圧電極と、
前記接地電極と前記間隙との間に配置された第１の誘電バリアと、
前記高電圧電極と前記間隙との間に配置された第２の誘電バリアと、
前記間隙をまたがって、前記接地電極から前記高電圧電極へと延びる放電路とを有し、前記処理流路が前記間隙を通り、かつ前記放電路をまたがって延びている請求項１９記載の液体食品低温殺菌装置。
【請求項２２】
前記接地電極および前記高電圧電極が平面である請求項２１記載の液体食品低温殺菌装置。
【請求項２３】
前記接地電極と前記高電圧電極の少なくとも１方が筒状であり、これらと対の他方の接地電極又は高電圧電極が同軸である請求項２１記載の液体食品低温殺菌装置。
【請求項２４】
前記非熱プラズマ反応器が表面放電反応器からなり、該表面放電反応器が、
前記反応ボリュームを通って延びる液体流路と、
前記液体流路と並列かつ隣接した電極表面に沿って互いに横に離れて配置された第１および第２の相反する極性の導体で構成され、前記第１の放電表面に沿って前記第１および第２の導体間に延びた表面放電路を限定する表面放電電極と、
前記液体流路と前記第１および第２の導体との間に配置された誘電バリアとを有する請求項１９記載の液体食品低温殺菌装置。
【請求項２５】
前記液体食品注入口が、第１の断面面積を有し、前記液体食品注出口が該第１の断面面積より小さい第２の断面面積を有する請求項１９記載の液体食品低温殺菌装置。
【請求項２６】
前記処理流路が、その中に乱流を発生するように配置された前記反応ボリューム内に、螺旋の流れパターンを有する請求項１９記載の液体食品低温殺菌装置。
【請求項２７】
前記非熱プラズマ反応器が、前記反応ボリュームの相反する側面上に互いに平行に間隔を置いて配置された第１および第２のメッシュ電極で構成され、該第１および第２のメッシュ電極の各々が導電性メッシュ、該導電性メッシュ上の誘電被覆、および該導電性メッシュと該誘電被覆を通って延びる複数の開口部を含み、
前記処理流路が前記第１のメッシュ電極内の複数の開口部を通り、前記反応ボリュームを通り、その後前記第２のメッシュ電極内の複数の開口部を通って延びる請求項１９記載の液体食品低温殺菌装置。
【請求項２８】
生存する病原体をその中に含む液体食品を受け取るための液体食品注入口と、
前記液体食品注入口から受け取られた前記液体食品内に気体泡を導入し、該液体食品と該気体泡の混合物を生成するための装置と、
反応ボリューム内の前記液体食品と前記気体泡の混合物を受け取り、該反応ボリューム内に非熱プラズマを生成することによって該液体食品内の病原体の少なくとも一部を死滅させるための非熱プラズマ反応器とで構成される液体食品低温殺菌装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、哺乳生物注入可能液中に生存する病原体を死滅させるための、該液体の非加熱低温殺菌および／または滅菌に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体食品、醗酵ブロス（broth）、生物学的液体、血液製剤、医薬、ワクチンなどのような液体を低温殺菌する種々の方法が、該液体に生存する細菌、ウイルスおよび真菌類を含む生きた病原体を死滅させるために用いられてきた。しかしながら、これらの方法は、一般に、低温殺菌処理中に熱を発生させ、また、処理に依っては不純物をも生じる可能性がある。この熱は、液体の活性成分、含有物質、またはその他の所望な性質、例えば、食物の栄養素、ならびに、風味、芳香および色を含む官能特性を容易に破壊してしまう。これらの製品が加熱処理されれば、その製品は受容不可能となり、あるいはその商業価値は非常に減少することになる。生物学的液体の場合、生細胞は変質するか、または損傷する可能性がある。したがって、多くの最小限加熱処理が、超ろ過法、オゾン処理、パルス紫外線、放射線、高静水圧（ＨＨＰ）、およびパルス電場（ＰＥＦ）放電を含むこれらいくつかの応用のために開発されてきている。
【０００３】
これらの方法のうち、ＰＥＦ放電は、液体内の細菌を死滅させるのに非常に有効であることが示されている。ＰＥＦ放電は、液体食品および医薬品を処理するための熱的、化学的およびその他の低温殺菌と滅菌の技術に取って代わる、大いなる可能性を有する最も優れた新しい技術の一つと考えられている。しかしながら、ＰＥＦ放電技術には数多くの欠点がある。例えば、オーム加熱がＰＥＦ放電中に起こり、それが、処理されている液体の温度を上昇させる原因となっている。したがって、液体を低温に維持するために、冷却システムを用いなければいけない。かなりのエネルギーの量を液体の無用な加熱および冷却に浪費してしまう。また、冷却システムの必要性は逆に、液体を処理するのに必要な時間を増長させる。さらに、ＰＥＦ電極は液体の中に直接浸漬される。電極が液体に接触するので、放電中に電極が酸化するために、電極は液体に対しての主な汚染源と見なされる。したがって、電極を定期的に取り替えなければならず、このことが維持時間および維持コストを増大させる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
改良された非加熱低温殺菌の方法が、液体の天然の性質を劣化させることのない、液体の低温殺菌用に望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の１つの態様は、液体中に生存する病原体を有する液体を、少なくとも部分的に滅菌する方法に向けられている。本方法は、反応ボリューム中の生きた病原体を含む液体を配置すること、および反応ボリューム内で非熱プラズマを発生させ、それにより、液体内で少なくとも病原体部分を死滅させることからなる。
【０００６】
非熱プラズマ種は、２つの異極性電極間に高電圧、低電流電荷を印加することにより発生させる。非熱プラズマ種は往々にして、電気的中性気体分子、ポジティブイオン、ネガティブイオン、遊離基および電子の形態の荷電粒子、ならびに電磁放射の量子（フォトン）からなる。これらの非熱プラズマ種は、処理されている液体に生存する細菌、ウイルスおよび真菌類のような生きた病原体を死滅させるのに非常に反応的であり、効果的である。
【０００７】
本発明の別の局面は、液体食品を低温殺菌する装置に向けられている。該装置は、液体食品注入口、液体食品注入口に連結されている処理流路、ポンプ、気体注入器および非熱プラズマ反応器を含む。該ポンプは、液体食品を処理流路を介して液体食品注入口から注入するための処理流路に連結されている。該気体注入器は、処理流路中に連結されており、液体食品に注入される気体を受け取るための気体注入口を有する。該非熱プラズマ反応器もまた、処理流路中に連結されており、液体食品注入口、液体食品注出口、液体食品注入口と液体食品注出口との間の反応ボリューム、および少なくとも、反応ボリュームに隣接する１つの非熱プラズマ電極からなる。各非熱プラズマ電極は、物理的、電気的に誘電バリアにより流路から隔離されている。
【０００８】
本発明の別の態様は、液体食品低温殺菌装置に向けられており、この装置は、液体食品注入口、気体源および非熱プラズマ反応器を含む。生きた病原体を含む液体食品は、液体食品注入口を介して受け取られる。気体泡は、気体源から、液体食品注入口から受け取られた液体食品中に導入されて、液体食品と気体泡との混合物を産出する。非熱プラズマ反応器は、液体食品と気体泡との混合物を反応ボリューム内で受け取り、該反応ボリューム内で非熱プラズマを発生させ、それによって、液体食品内の少なくとも病原体部分を死滅させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、「サイレント型」ボリューム放電非熱プラズマ反応器１００の概略図であり、このプラズマ反応器１００は、液体中に生存する病原体を死滅させるために、哺乳生物注入液を低温殺菌および／または少なくとも部分的に滅菌するために用いることが可能である。非熱プラズマ反応器１００は、液体注入口１０２、液体注出口１０４、液体注入口１０２と液体注出口１０４との間の反応ボリューム１０６、電極１０８および１１０、ならびに誘電バリア１１２および１１４を含む。流路１１６は、反応ボリューム１０６を介して、注入口１０２から注出口１０４への液体流路を示す。各電極１０８および１１０は、物理的、電気的に誘電バリア１１２および１１４それぞれのバリアにより流路１１６中の液体から隔離されている。
【００１０】
誘電バリア１１２および１１４は、間隙により互いに分離されており、この間隙は反応ボリューム１０６の有効幅を規定している。誘電バリア１１２および１１４は、例えば、テフロン（登録商標）、ガラス、セラミックまたはエポキシ樹脂を含むことが可能である。その他の絶縁素材もまた用いることが可能である。１つの実施形態では、電極１０８および１１０それぞれは、エポキシ樹脂の中に埋め込まれている。電極１０８および１１０との間の放電間隙は、特定の適用に合うよう大きさを合わせることが可能である。例えば、電極１０８および１１０は、最大３０ｃｍまでの間隔に離されることができる。大きめの間隔は、電圧および絶縁条件が許せば用いることが可能である。１つの特定の実施形態では、電極１０８および１１０は、誘電層１１２と１１４との間の有効間隙約７ミリメートルを有して、１０ミリメートルだけ離されている。
【００１１】
電極１０８および１１０は、多様な形状を有することが可能である。例えば、図１に示す実施形態では、電極１０８および１１０は、それぞれ銅フォイルのような導電金属の薄い平板で形成されている。導電性メッシュ、ワイヤー、または細片のようなその他の導電性構造もまた用いることが可能である。電極１０８および１１０の組み合わせは、例えば、板と板、メッシュとメッシュ、板とワイヤー、ワイヤーとワイヤー、板とメッシュおよびワイヤーとメッシュのような多様な異なった型を有することができる。電極１０８および１１０の形もまた変更可能である。例えば、電極１０８および１１０は、互いに同軸的に配置可能であり、そこでは、外側の電極は筒状であり、内側の電極は筒状またはワイヤーのいずれかである。他の配置を用いることも可能である。しかしながら、それぞれの配置では、電極が液体に接触することから起こる、液体を通る電気伝導路、および液体の汚染を防ぐために、電極１０８および１１０のどちらも、反応ボリュームにおいて誘電バリアにより液体から物理的、電気的に隔離される。
【００１２】
高電圧電源１２４は、電極１０８および１１０に電力を供給する。電極１０８は電源１２４の第１のターミナル１２０に電気的に連結され、また、電極１１０は電源１２４の第２のターミナル１２２に電気的に連結されている。電極１０８および１１０のうち１つは、電極１１０のように接地電極として機能し、電極１０８のようなもう一方は、高電圧電極として機能する。電源１２４は、反応ボリューム１０６を横切る、矢印１２６で示す電気放電路を形成するように、電極１０８および１１０を横切る電圧を生じることが可能な直流（ＤＣ）または交流（ＡＣ）電源を含むことが可能である。１つの実施形態では、電極１０８と１１０との間で発生される電位は、例えば、１ｋＶ〜３５ｋＶの範囲内である。他の電圧範囲、例えば、１ｋＶ〜５００ｋＶとの間の電圧範囲もまた用いることが可能である。電源１２４は、低または高周波数のいずれかで作動可能であり、単一極性を有するパルスを発生、または二極性のパルスを発生することが可能である。
【００１３】
相反する極性を有する電極１０８および１１０でもって、電極１０８および１１０は、反応ボリューム１０６を横切る強い電場を発生させる。この強い電場を液体中の気体に印加し、これが、電気的中性気体分子、陽イオン、陰イオン、遊離基および電子の形態の荷電粒子、ならびに電磁放射の量子（フォトン）を含む、非熱プラズマ種を生じさせる。これらの非熱プラズマ種は、細菌、ウイルス、および真菌類のような処理されている液体中に生存する病原体を死滅させるのに、非常に反応的であり、効果的である。反応器１００の非加熱性質のために、反応器１００は、低温殺菌されている液体の品質およびその他の熱感受性特性を維持する。
【００１４】
処理され得る液体の例は、人間、イヌ、馬、猫などのような生きた哺乳動物において注入可能な、いかなる液体をも含む。「注入可能」という言葉は、経口摂取、吸入、経皮吸収、直腸（浣腸液または他のそのような溶液を用いて）、動脈、静脈（ＩＶ）、リンパ管、脊椎管、および腹部、肺、または肝臓のような体腔への、直接挿入、筋肉内注射、ならびに皮下注射のような方法で液体を哺乳動物に導入する場合、生きた哺乳動物に対して無毒性である全ての液体を含む。
【００１５】
そのような液体の１つの例は、栄養物として生きた哺乳動物により消費され、同化されることが可能な液体である。このような液体は、水、ジュース（果汁のような）、牛乳、炭酸および非炭酸のソフトドリンク、風味をつけた非炭酸飲料、スープならびに他の液体食品（懸濁液の中に食物粒子を有する液体を含む）などが挙げられる。その他の処理可能な液体は、発酵ブロス、医薬品、および全てのタイプのワクチン、糖および脂肪などを含む完全非経口栄養（ＴＰＮ）液、乳酸化リンゲルまたはＤ５などのような静脈内（ＩＶ）輸液、腎臓透析液（この液体は、注入され、抜き取られる）ならびに、血小板および白血球のような生存成分を損傷をすることなく、体に戻されなければならない体液を含んでも良い。このような体液には、血液、血液製剤、および髄液（ＣＳＦ）を含む。
【００１６】
微小の気体泡が、プラズマにより処置されている液体の中に導入されると、処置されている液体に生存する病原体の減少が非常に大きく進むことが見い出されている。気体泡のプラズマとの相互作用により、滅菌効果が高まることが判明している。生成された液体―気体混合物は、液体に分散された気体または気体に分散された液体を含むことが可能である。この気体は、拡散または注入のような種々の方法で液体と混合することができる。Ｍａｚｚｅｉ  Ｉｎｊｅｃｔｏｒ社製のベンチュリ管気体注入器のような多様な気体注入装置を使用することが可能である。もう一つの方法として、液体は、反応室を介して散布され、気体により分離された液体の飛沫を形成することが可能である。
【００１７】
微小の気体泡を液体に導入することは、処理されている液体中に生存する病原体を死滅させるための反応器１００内でのプラズマの発生を非常に高める。気体―液体混合物がＮＴＰ反応器２０８を通過する時、液体中の気体泡は、印加された電場により励起されるようになり、非熱プラズマを発生する。非熱プラズマ種はその後、液体中に生存する病原体と相互に作用し、これら病原体を死滅させる。気体注入と関連するパラメータは、気体の成分、液体中の気体の量および分布、気体泡のサイズ、気体の物理的な動きに関連する液体の速度、並びに気体注入器の開口部のサイズを含む。実験は、気体泡を含有する液体、特に９０％酸素を含有する気体を含む液体において、細菌死滅は、気体泡を全く含有しない液体での細菌死滅と比較すると、かなり増加することを示した。
【００１８】
反応ボリューム１０６内での反応性ＮＴＰ種の殺傷力に影響を及ぼす可能性のある種々の要因は、気体対液体の割合（非常に低い割合から非常に高い割合）、気体泡の大きさ、気体と液体との混合の度合い、および気体と液体の成分を含む。システムは、液体に生存する病原体が５対数（log）から１０対数（log）の減少を取得するように構成されることが好ましい。気体―液体の高割合は、液体を気体相に注入することにより取得可能である。例えば、ＮＴＰ種の殺傷力は、気体泡が大きめであるより小さめの気体泡を有するほうが大きいことが観察された。さらに、気体泡が液体中に均等に分布されればされるほど、プラズマの発生および病原体の減少が効果的であることが見い出されている。１つの実施形態では、気体量対液体量の割合（気体量／液体量）は、好ましくは０．１対２０であり、さらに好ましくは、０．３対５であり、最も好ましくは、０．５対１である。しかしながら、これらの範囲以外の他の割合も用いることが可能である。空気、酸素、オゾンおよび窒素、あるいはこれらの混合物または他の気体との混合物のような多様な気体の成分を用いることが可能である。１つのタイプの気体は、液体のタイプ、および死滅させられる病原体のタイプ次第で、特定の適用においてはもう一方のタイプの気体より、より効果的で有り得る。例えば、気体泡は、１００容量％の酸素（例えば、Ｏ２）または１００容量％の窒素からなることができる。
【００１９】
図２は、非熱プラズマ液体低温殺菌システム２００を概略的に示した図であり、このシステムは、本発明の１つの実施形態により、液体中に気体泡を導入するものである。システム２００は、液体供給源タンク２０２、ポンプ２０４、気体混合装置２０６、非熱プラズマ反応器２０８、高電圧電源２１０、および液体受容タンク２１２を含む。供給源タンク２０２、ポンプ２０４、気体混合装置２０６、非熱プラズマ反応器２０８、および受容タンク２１２は、処理流路２１４内で、互いに直列に接続されており、これらは、流路（path）２１４中の１つの部品から次の部品へと、処理される液体を通過させるための一連の管または他の液体チャネルからなることが可能である。
【００２０】
タンク２０２は処理される液体を収容する。ポンプ２０４は、液体を処理流路２１４を介して、タンク２０２からタンク２１２へ送り込む。代替の実施形態では、処理流路２１４に沿って、種々の場所にさらなるポンプを設置することが可能である。また、液体を処理流路２１４に沿って移動させるのに重力のような別のメカニズムが用いられる実施形態では、ポンプ２０４は除去することが可能である。ポンプ２０４の出力は、気体混合装置２０６の入力に連結されている。ポンプの流速は、所望の処理時間、印加される電圧、反応器２０８の寸法／構造、および気体混合装置２０６のサイズのような要素に基づいて設定される。気体混合装置２０６は、処理流路２１４を介して流動する液体に気体泡を導入することが可能などのような装置をも含むことができる。気体拡散器または気体注入器のような多様な混合装置を用いることが可能である。１つの実施形態では、気体混合装置２０６は、ベンチュリ管注入器を含む。他の型の気体混合器もまた使用可能である。気体混合装置２０６は、液体に混合する気体を受け入れる気体注入口２１６を有する。
【００２１】
気体―液体混合物はその後、非熱プラズマ反応器２０８の液体注入口２２０に供給される。反応器２０８は、例えば、図１に示す反応器１００を含むことが可能である。高電圧電源２１０は、電気的に反応器２０８内で電極に連結される。気体―液体混合物が、液体注入口２２０から液体注出口２２２へと反応器２０８を通過する時、反応器２０８内で生じる非熱プラズマは、液体に生存する少なくとも生存する病原体の部分死滅をさせることにより、液体を低温殺菌する。処理された液体はその後、液体注出口２２２を通って流出し、受容タンク２１２に捕集される。
【００２２】
１つの実施形態では、反応器２０８内で処理されている液体は、液体内に実質的に均等に分布される気体泡を維持するように、また気体泡を小さいサイズに維持するように、反応器を囲む周囲圧力より高い圧力で保持される。圧力は、液体注入口２２０の断面積より小さい断面積を液体注出口２２２に設けることで増加が可能である。さらに、内部の反応器流路は、液体内で逆圧を供給するように、また乱流を供給するように設計することもできる。
【００２３】
図３は、ベンチュリ管注入器３００を示す図であり、これは図２で示す気体混合装置２０６のために用いることが可能である。注入器３００は、注入口３０４と注出口３０６との間に主流路３０２を有し、またフロー狭窄部３０８を有する。気体注入口３１０は、フロー狭窄部３０８で主流路３０２に連結されている。主流路３０２に沿って液体が流動する時、注入口３０４と注出口３０６との間の圧力差が、注入器本体内に真空部を生じさせ、このことが気体を気体注入口３１０を介して注入器に引き込み、したがって、気体と液体の混合物を注出口３０６で産出する。ベンチュリ管注入器は、高効率な差圧注入器である。この型の注入器は、気体を液体と充分に混合することが見い出されている。結果として、注入器３００の注出口で産出される気体―液体混合物内の泡は、極めて微小であり、均一に分布される。
【００２４】
図４は、回旋する蛇行流路を有し、また本発明の１つの実施形態に従った反応器２０８（図２に図示）用に用いることが可能な、非熱プラズマ反応器の横断面図を概略的に示した図である。反応器４００は、液体―気体注入口４０１、処理された液体―気体注出口４０２、および矢印４０８で示す蛇行する液体流路を形成するように設置された、複数の正反対に分極した非熱プラズマ電極４０４および４０６を含む。上記したように、各電極４０４および４０６は、それぞれの誘電バリアにより液体流路から、物理的、電気的に隔離されている。１つの実施形態では、電極４０４および４０６はそれぞれ平面の電極板として形成され、その電極板は、もう一方の電極板と平行であり、また間隔を有している。各電極板４０４および４０６は、すぐ次に隣接した電極板の極性に相反する極性を有する。このことは流路４０８を形成するように直列で共に連結されている複数の反応ボリュームを創出する。それぞれの反応ボリュームは、電極４０４および４０６のそれぞれの対との間の間隔により規定される。蛇行流路は、反応器４００内の液体滞留時間を増加させるために、また、液体の流れの乱流を増加させるために用いることができる。このことは、液体内で気体泡がさらに均等に分布されたままにし、サイズを小さくしておく補助となる可能性がある。代替の実施形態では、いかなる数の反応ボリュームをも用いることができる。例えば、反応器４００は、図１で示すような単一の反応ボリューム、Ｕ字形流路を形成する２つの反応ボリューム、または、図４で示すような複数の反応ボリュームを含むことが可能である。代替の実施形態では、個別の反応ボリュームは注入口４０１から注出口４０２に互いが平行に延在する。
【００２５】
図５は、本発明の代替の実施形態による筒状非熱プラズマ反応器５００の横断面図である。反応器５００は、図５のページから入出する流れを有する筒状の構造を有する。反応器５００は、筒状の接地電極５０２およびワイヤー状高電圧電極５０４を含み、この高電圧電極５０４は電極５０２と同軸である。代替の実施形態では、電極５０２は、高電圧電極であり、電極５０４は、接地電極である。電極５０２および５０４は、反応ボリューム５０６を規定する間隔により分離している。電極５０２および５０４は、物理的また電気的に、それぞれの誘電バリア５０８および５１０により反応ボリューム５０６から隔離されている。誘電バリア５０８および５１０は、電極５０２および５０４が処理されている液体を汚染するのを防ぎ、また液体が、反応ボリューム５０６内で電極５０２を電極５０４に短絡させるのを防ぐ電気的隔離を提供する。
【００２６】
図６は、細い帯状電極６０２および６０４を有する非熱プラズマ反応器６００の概略透視図である。電極６０２は、１つの極性にバイアスされており、また電極６０４は反対の極性にバイアスされている。電極細片６０２および６０４は、互いに直交して配置されており、反応ボリュームの回りに間隔を置いて配置されている。各個別の電極６０２および６０４は、誘電バリアにより絶縁されている。例えば、電極６０２の全ては、誘電性物質の一枚の薄板内に埋設されることができ、また電極６０４の全ては、誘電物質の他方の薄板内に埋設されることが可能である。このタイプの電極構造を用いて、電極６０２および６０４の周りの局所電場は非常に高められ、このことは、気体泡内で放電が容易に、また効果的になされることを確実にする。
【００２７】
図７は、本発明の別の代替実施形態による非熱プラズマ反応器７００の側横断面図である。反応器７００は、筐体７０２および少なくとも１つの「表面」放電電極７０４を含む。筐体７０２は、液体注入口７０６、液体注出口７０８、および表面放電電極７０４のいずれか一方側に延在する一対の流路７１０を有する。表面放電電極７０４は、反対の極性を有する複数の隣接する導体７１２および７１４を含む。導体７１２および７１４は、誘電物質７１５により、流路７１０から電気的に絶縁されている。１つの実施形態では、導体７１２および７１４は、電気的に絶縁するシース（sheath）を形成する誘電物質でそれぞれ個別に被覆されている。代替の実施形態では、導体７１２および７１４は、誘電物質に埋設されて電極薄板を形成する。導体７１２および７１４は、例えば、約０．１から約３．０ミリメートルの直径を有することが可能で、導体のそれぞれは、例えば、０〜６ミリメートルの範囲の間隙により分離される。
【００２８】
導体７１２および７１４の励起は、微電流電場放電路７１６を電極７０４の表面に沿って発生する。放電路７１６を通る電場放電は、電極７０４の表面に沿って、処理されている液体内で非熱表面プラズマ種を発生する。これらの非熱表面プラズマ種は、非常に反応性であり、前述した実施形態同様に、液体内に生存している病原体を死滅させる。電極７０４は、平板または筒状のような多様な形を有することが可能である。図７Ｂは、平板形の電極７０４の平面図であり、導体７１２および７１４の１つの可能な配置を描写している。
【００２９】
図８は、本発明の別の代替実施形態による、非熱プラズマ反応器８００の側面図である。反応器８００は、流体注入口８０１、流体注出口８０２、電極８０４および８０６、ならびに、誘電バリア８０８および８１０を含む。電極８０４および８０６は、間隔により互いに分離しており、この間隔は、誘電バリア８０８と８１０との間で反応ボリュームを規定する。反応器８００は、さらに、処理される液体を受け入れるための流体注入口８０１に連結している散布器８１２を含む。散布器８１２は、反応ボリュームを通して液体を誘電バリア８０８と８１０との間に散布して、反応ボリューム内で微小な霧を形成する。処理された液体はその後、液体注出口８０２を通って出る。散布器８１２は、反応ボリューム内で気体―液体混合物を発生する補助として働き、このことは、プラズマが液体中に生存する病原体を死滅させることを助ける。
【００３０】
図９は、処理されている液体内で逆圧を増加させるために用いられる一組のバリアを有するＮＰＴ反応器９００を図示する。簡単に図２を参照すると、気体混合装置２０６から反応器２０８への気体―液体混合物の流れは、高速であり、かつ高圧である。ある程度、液体中の気体泡の分布は、混合物の逆圧に左右される。逆圧が高ければ高いほど、液体中の気体の溶解度は高い。１つの実施形態では、大きいタンク２０２はシステム内で逆圧を増加させるのに用いることが可能である。
【００３１】
図９で示される実施形態では、電極板の配置は逆圧を増加させるために用いられる。液体が管９０１を通って送られるにつれて、気体注入器９０２は気体を気体注入口９０３へ引き込み、注入器の注出口で気体―液体混合物を産出する。管９０４は、気体注入器９０２からＮＴＰ反応器９００の注入口９０８へ気体―液体混合物を搬送する。ＮＴＰ反応器９００は、複数の電極板９０５および９０６を有し、これらは、注入口９０８から注出口９０９へ蛇行流路を形成するように配置され、また、注入口９０８に対して直交して配置される。この配置を用いて、電極９０５および９０６は、注入口９０８から進入し、また流路の一部分から次の部分へ通過する液体の流れに対するバリアを形成する。これらのバリアは、気体―液体混合物内の逆圧をさらに増加させる。
【００３２】
実験結果
幾つかの実験が、液体に生存する病原体を減少させることにおける非熱プラズマの有効性を証明するために行われた。これらの実験を実施例として以下に記す。
【実施例１】
【００３３】
最初の実験は、液体担体中（即ち、蒸留水）のサルモネラの生存度に関して、空気注入条件および印加された電場の効果を試験するために行われた。
【００３４】
第１の試験では「静止」反応器が用いられ、この反応器は、図６で示してある電極と類似した帯状の電極を有した。静止反応器内で、処理される液体を流れの全くないこの反応器に入れた。個々の電極細片の間隙は１０ｍｍで、有効反応ボリュームは、７ｍｍの間隙を有した。サルモネラを含有し、全く気体泡を含有しない液体を反応ボリュームに入れた。液体はその後、２５ｋＶで電極を作動させることにより処理した。次に、サルモネラを含有する液体を反応ボリュームに入れ、１−２ＣＦＨで空気と共に泡立たせて気泡を液体内に導入した。電極を再度２５ｋＶで作動させた。最後に、サルモネラを含有する液体を反応ボリューム内に入れ、１−２ＣＨＦで酸素と共に泡立たせた。電極を再度２５ｋＶで作動させた。
【００３５】
表１は、液体に全く気体泡が無い時は細菌（バクテリア）の減少が最少であり、空気泡の存在と共に細菌の減少が大きく増大し、特に、液体中の酸素の泡の存在と共に細菌の減少が大きく増大することを示している。
【００３６】
【表１】
2004522455.tif 000003
【００３７】
細菌負荷の減少は、培養皿の上に蒔かれた溶液の段階的希釈を含む標準的な方法を用いて評価された。インキュベーション（incubation）後に、希釈した溶液中の微生物の数を評価するためにコロニー（colonies）を数えた。希釈値を用いて、元の汚染微生物数の推定値を取得した。
【００３８】
次に、サルモネラの減少を、正反対に分極した板電極を有する「静止」ＮＴＰ反応器を使用して試験した。これら電極は、１５ｋＶで作動され、誘電バリアによって分離された。電極間の間隙は１０ｍｍであり、誘電バリア間の有効反応ボリュームは７ｍｍの間隙を有した。サルモネラを含有する液体は、反応ボリューム中に配置され、空気と共に泡立てられ、処理された。時間の関数としての細菌減少の結果は、表２に示してある。
【００３９】
【表２】
2004522455.tif 000004
【００４０】
印加された小さめの電圧は、表１での結果を出すために用いられた電圧と比較して、液体中のサルモネラ細菌の小さめの対数減少をもたらした。
【００４１】
次に、サルモネラを含有する液体を反応ボリュームに入れ、酸素と共に液体を泡立て、その後電極を１５ｋＶで作動させて液体―酸素混合物を処理することにより、サルモネラ減少を試験した。電極間の間隙は、前と同様に、７ｍｍの有効反応ボリューム間隙を有して１０ｍｍであった。この試験の結果は、表３に示してある。
【００４２】
【表３】
2004522455.tif 000005
【００４３】
表１〜３を見ると、注入された気体泡を有する液体を処理するために、非熱プラズマの使用は、少なくともサルモネラの５対数減少を達成するのに有効である。表２および３を比較すると、空気泡を用いるのと比べて酸素泡の使用は、処理の単位時間毎のサルモネラ減少の量を増大させた。
【実施例２】
【００４４】
２番目の実験では、非熱プラズマの使用を、液体内の大腸菌（E.Coli）を死滅させることにおける有効性をみるために試験した。２番目の実験に用いられた試験装置は、図２で示した装置と類似していた。気体混合装置は、空気および酸素を１−２ＣＦＨで導入するベンチュリ管注入器を含み、ＮＴＰ反応器は、２つの個別の反応ボリュームを持つ図４で示した流路のような蛇行流路を有した。反応器の電極間の間隙は１０ｍｍであり、誘電バリア間の有効反応ボリュームは７ｍｍの間隙を有した。５対数の大腸菌で播種された未処理の液体をタンク２０２に入れ、ＮＴＰ反応器２０８を通過してタンク２１２に送った。その後に、タンク２０２の未処理液体およびタンク２１２の処理済み液体から試料を取り、表１を参照して上述したのと同様の方法で、培養した。細菌コロニーは培養した未処理の試料で見い出されたが、培養した処理済の試料では全く細菌コロニーは観察されなかった。これらの観察に基づいて、図２に示した低温殺菌システムは、大腸菌の５対数減少をもたらすのに有効であるという結論を得た。
【実施例３】
【００４５】
３番目の実験では、図１０に示すＮＴＰ低温殺菌システムを構築し、試験した。システム１０００は、それぞれの供給タンク１００２を有する各ＮＴＰ反応器１００１に、共に直列に連結されている５つのＮＴＰ反応器１００１、ポンプ１００３および気体注入器１００４を含んだ。各ＮＴＰ反応器１００１の注出口は、次の反応器１００１の供給タンク１００２に直列に連結された。複数の気体注入器１００４は、気体―液体混合物が流れ全体を通して十分な微細泡を含有することを確保した。空気を各注入器１００４を介して、１時間当たり２立方フィート（ＣＦＨ）で注入した。ポンプ１００３は、１時間当たり１０ガロンでシステム１０００を通して液体を送った。ＮＴＰ反応器１００１への電気接続は、互いが並列に共に連結され、２０ｋＶで励起された。システム１０００中のＮＴＰ反応器１００１の数を、サルモネラ細菌減少に関する反応器の数の効果を調べることが可能なように変化させた。
【００４６】
図１１は、図１０のＮＴＰ反応器１００１の数の関数として、液体中のサルモネラ細菌の対数減少を表しているグラフである。５つのＮＴＰ反応器１００１を用いて、図１０で示したシステムで５対数の細菌減少が得られた。しかしながら、システムの第１のＮＴＰ反応器の前に１つの気体注入器のみが用いられた時、この５対数の細菌減少は観察されなかった。これは、液体中の気体泡の重要性を示唆している。図１１を見ると、細菌の対数減少は、ＮＴＰ反応器の数と共に増大した。この増大は、エネルギー入力の増大と液体中の空気泡の量の増大との両方に帰することができる
【実施例４】
【００４７】
４番目の実験では、サルモネラ細菌の対数減少を印加した電圧の関数として試験した。共に直列に連結された５つのＮＴＰ反応器を用いて、実験３で使用したように、実験４で同じシステムを使用した。実験４を１時間当たり３０ガロンで、各注入器１００４に２ＣＦＨで空気注入を行った。図１２は、各ＮＴＰ反応器１００１へ印加される電圧の関数として、サルモネラ細菌の対数減少を示す。図１２から分かるように、細菌の対数減少は、印加される電圧を増大させることで増加する。３対数より大きい細菌の減少が、３０ｋＶで達成される。
【実施例５】
【００４８】
５番目の実験では、図１０に示し、また実験３で前述した低温殺菌システムを３つの条件下で用いた：（１）空気の注入無し；（２）空気の注入有り；（３）酸素の注入有り。そのほかは、共に直列に連結された５つのＮＴＰ反応器１００１を用いて、実験３で使用したのと同じ操作条件を用いた。酸素を清潔な空気と置き換えることが可能な場合、装置およびシステムの運転コストを減らすことが可能である。実験４の結果は、図１３のグラフに示されている。図１３は、各試験条件のためのサルモネラ細菌の対数減少を表しているグラフである。図１３で示すように、システムへの空気または気体の注入が全く無しでは、システムはサルモネラを死滅させるのに部分的にのみ有効であった。空気の注入で、２対数の細菌減少を達成した。酸素注入で、５対数の細菌の減少を達成した。これは、ＮＴＰ低温殺菌システムで、空気が気体の培地になり得ることを示唆しているが、図１０に示すシステムの変更が、空気の注入でもって５対数の減少を達成するために必要であろう。例えば、ＮＴＰ反応器１００１内で処理される液体の滞留時間を増加させることが可能である。
【００４９】
図１４は、本発明の別の代替実施形態に従った、液体を低温殺菌するために使用可能な２つのメッシュ型非熱プラズマ電極１０２０および１０２２の簡略化した透視図である。電極１０２０および１０２２は、ワイヤーメッシュが、処理されている液体から電気的に絶縁されるように、誘電物質で被覆されている導電性のワイヤーメッシュでそれぞれ形成されている。誘電性被覆は、メッシュの各導電性セグメント間の部分が、流体の流れに開かれているように形成される。物理蒸着法（ＰＶＤ）または化学蒸着法（ＣＶＤ）のようないかなる被覆技法も利用可能である。
【００５０】
処理される液体は、電極１０２０および１０２２で形成されている平面に実質的に直角の矢印方向１０２４に、電極１０２０および１０２２を通過して送られる。液体がメッシュ１０２０および１０２２を通過する時、電極１０２０および１０２２は、間隙内に存在する液体を処理するために、間隙１０２６内でプラズマを創出する相反する電位に電気的に接続される。電極１０２０および１０２２の開口部が充分小さい場合、さらにこれら開口部は、大きめの気体泡を崩壊したり、液体内で充分に小さいサイズに気体泡を維持する補助となることが可能である。他の配置もまた用いることが可能であり、メッシュ１０２０および１０２２は非平面であってもよい。また、直列の電極対１０２０および１０２２を用いることができ、ここで、液体は順次、処理のために各電極対を通って流れる。代替の実施形態では、気体注入器または拡散器は、気体と液体を混合するために使用されない。むしろ、気体は管を介して反応器内へ供給され、その後、気体と液体がメッシュ電極の小さい開口部を強制的に通過させられる時に、小さい泡に砕かれる。
【００５１】
要約すれば、実験は、非熱プラズマが液体試料中の生存可能な細菌の減少に有効であることを示した。したがって、非熱プラズマは、ジュースおよび牛乳のような液体食品を少なくとも部分的に滅菌するのに用いることが可能である。実質的にオーム加熱が全くないので、非熱プラズマ滅菌中のエネルギー消費は小さく、処理されている液体を冷却する必要が全くない。このことにより、システムの容易なスケールアップが可能で、非常に大量の処理量に適応が可能となる。所望の処理時間は、互いに直列で共に接続されている複数のＮＴＰ反応器を経て液体を通過させることにより、または、液体を同じ反応器を通して複数回循環させることにより、得ることが可能である。さらに、同じ反応器内の直列接続の反応ボリュームの数は、増減も可能である。システムが非加熱の性質であるため、システムは液体の品質、ならびに味覚およびビタミンの含量などのような他の熱感受性の特性を保持する。可能なその他の応用には、発酵ブロス、生物学的液体、血液製剤、医薬、およびワクチンの低温殺菌／滅菌が挙げられる。また、各電極は処理されている液体から物理的、電気的に絶縁されているので、電極は液体への汚染源として作用しない。
【００５２】
本発明は好適実施例に基づいて説明されてきたが、当業者は本発明の精神、範囲から逸脱することなく、形式および詳細においての変更が可能であることを認識するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】「サイレント型」ボリューム放電非熱プラズマ反応器の概略図であり、このプラズマ反応器は、液体中に生存する病原体を消滅させるために、液体を低温殺菌するのに用いることが可能である。
【図２】非熱プラズマ液体低温殺菌システムを概略的に示す図であり、このシステムは、本発明の１つの実施形態により、液体に気体泡を導入する。
【図３】ベンチュリ管注入器を示す図であり、このベンチュリ管注入器は、図２で示すシステム内に気体泡を導入するのに用いることが可能である。
【図４】本発明の１つの実施形態による、回旋する蛇行流路を有する非熱プラズマ反応器の横断面図を概略的に示す図である。
【図５】本発明の代替の実施形態による、筒状非熱プラズマ反応器の断面図である。
【図６】細い帯状電極を有する非熱プラズマ反応器の透視図である。
【図７Ａ】本発明の別の代替実施形態による、表面放電型非熱プラズマ反応器の側平面図である。
【図７Ｂ】図７Ａに示す反応器に用いられる表面放電電極の平面図である。
【図８】本発明の別の代替実施形態による、液体が反応ボリューム内に散布される非熱プラズマ反応器の側面図である。
【図９】処理されている液体内で逆圧を増加するのに用いられる一組のバリアを有する非熱プラズマ反応器を示す図である。
【図１０】共に直列に接続されている５つのＮＴＰ反応器を有する低温殺菌システムの図である。
【図１１】図１０に示すシステムのＮＴＰ反応器の数の関数として、液体内のサルモネラ細菌の対数減少を示しているグラフである。
【図１２】図１０に示すシステム内の各ＮＴＰ反応器に印加した電圧の関数としてサルモネラ細菌の対数減少を示す図である。
【図１３】図１０に示すシステム内の液体に注入された気体のタイプの関数として、細菌の対数減少を示しているグラフである。
【図１４】本発明の別の代替実施形態による、液体を低温殺菌するために用いることが可能な２つのメッシュ型非熱プラズマ電極を簡略化した透視図である。
【符号の説明】
【００５４】
１００……ボリューム放電非熱プラズマ反応器
１０２……液体注入口
１０４……液体注出口
１０６……反応ボリューム
１０８、１１０……電極
１１２、１１４……誘電バリア
１１６……流路
１２０……第１のターミナル
１２２……第２のターミナル
１２４……電源
【図４】
2004522455.tif 000006
【図９】
2004522455.tif 000007
【図１１】
2004522455.tif 000008
【図１２】
2004522455.tif 000009
【図１３】
2004522455.tif 000010
【国際公開パンフレット】
2004522455.tif 000011
2004522455.tif 000012
2004522455.tif 000013
2004522455.tif 000014
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2004522455.tif 000044
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004522455.tif 000045
【国際調査報告】
2004522455.tif 000046
2004522455.tif 000047