(57)【要約】【課題】殺滅速度が速くてコストの低い微生物の殺滅装置及び方法を提供する。【解決手段】容器内にプラズマを導入する大気圧プラズマ生成手段を備えた微生物殺滅装置であって、前記大気圧プラズマ生成手段が、ＣＯ２の含有率が５％以上のガスをプロセスガスとしてプラズマを生成するように構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内にプラズマを導入する大気圧プラズマ生成手段を備えた微生物殺滅装置であって、
前記大気圧プラズマ生成手段が、ＣＯ２の含有率が５％以上のガスをプロセスガスとしてプラズマを生成するように構成された微生物殺滅装置。
【請求項２】
請求項１に記載の微生物殺滅装置であって、さらに、前記容器内の雰囲気を、ＣＯ２を含むプロセスガスで置換するガス置換手段を備えた微生物殺滅装置。
【請求項３】
容器内にプラズマを導入する大気圧プラズマ生成手段による微生物殺滅方法であって、
前記大気圧プラズマ生成手段が、ＣＯ２の含有率が５％以上のガスをプロセスガスとしてプラズマを生成するステップを備える微生物殺滅方法。
【請求項４】
請求項３に記載の微生物殺滅方法であって、前記容器内の雰囲気を、ＣＯ２を含むプロセスガスで置換するステップをさらに備える微生物殺滅方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は大気圧プラズマによる殺滅装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、医療の安全性確保や食品の腐敗防止から、薬品、医療器具及び食品製造工程に、包装材や成形品表面などに存在する微生物（菌、真菌、ウイルスなど）を殺菌又は滅菌する処理が行われている。
【０００３】
微生物を殺菌又は滅菌する公知の技術としては、高圧蒸気滅菌法（オートクレーブ）、エチレンオキサイドガス（ＥＯＧ）滅菌法、電子線滅菌法及びガンマ線滅菌法などが知られている。
【０００４】
しかし、高圧蒸気滅菌法は、１２１℃以上の高温処理を要するので熱に弱いプラスチック製品の処理は困難である。また、エチレンオキサイドガス（ＥＯＧ）滅菌法は、人体への有毒性、発癌性が指摘されており、使用者の安全性への問題に課題がある。そして、電子線滅菌法及びガンマ線滅菌法は、使用する装置が非常に大型で高コストという課題を抱えている。
【０００５】
近年、このような課題を解決する手段として、低圧力放電などのプラズマによる滅菌法（非特許文献１）が提案されている。プラズマによる滅菌法は、有害な物質を用いずに低温下において滅菌処理が可能であるため、新しい滅菌法として注目されている。
【０００６】
なお、「殺菌」という用語は、ある特定の微生物の初発菌数を減少させる行為そのものを、「滅菌」という用語は、無菌性を達成する、すなわちすべての微生物を除去する行為を意味するが、本明細書においては、菌数を減少させる行為そのものを「殺滅」と記載する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】永津雅章：「３．プラズマ滅菌」、Ｊ．Ｐｌａｓｍａ  Ｆｕｓｉｏｎ  Ｒｅｓ．Ｖｏｌ．８３、Ｎｏ．７、ｐｐ．６０１−６０６（２００７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、従来のプラズマを利用した微生物殺滅法は、プラズマ中の活性酸素種の密度が低いため微生物の殺滅速度が遅いという欠点がある。また、低気圧放電プラズマを用いた微生物殺滅法では、減圧処理をするために真空容器及び減圧排気ポンプ類などの設備を必要とし、装置コストが増加するという欠点もある。よって、殺滅速度が速くてコストの低い微生物の殺滅装置及び方法が求められている。
【０００９】
そこで、本発明では、減圧処理をするための設備を必要としない大気圧プラズマを用いた微生物の殺滅方法及び装置において、プラズマ生成手段に供給されるプロセスガスとして炭酸（ＣＯ２）ガスを用いることで、殺滅速度が速くてコストの低い微生物の殺滅装置及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の側面は、容器内にプラズマを導入する大気圧プラズマ生成手段を備えた微生物殺滅装置であって、前記大気圧プラズマ生成手段が、ＣＯ２の含有率が５％以上のガスをプロセスガスとしてプラズマを生成するように構成された微生物殺滅装置である。
【００１１】
本発明の第２の側面は、第１の側面において、前記容器内の雰囲気を、ＣＯ２を含むプロセスガスで置換するガス置換手段を備えるよう構成した。
【００１２】
本発明の第３の側面は、容器内にプラズマを導入する大気圧プラズマ生成手段による微生物殺滅方法であって、前記大気圧プラズマ生成手段が、ＣＯ２の含有率が５％以上のガスをプロセスガスとしてプラズマを生成するステップを備える微生物殺滅方法である。
【００１３】
本発明の第４の側面は、第３の側面において、前記容器内の雰囲気を、ＣＯ２を含むプロセスガスで置換するステップをさらに備えるよう構成した。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例１のプラズマ照射処理の概略図である。
【図２】実施例３のプラズマ照射処理の概略図である。
【図３】実施例１の殺菌特性の結果を示す図である。
【図４】実施例２の殺菌特性の結果を示す図である。
【図５】比較例１の殺菌特性の結果を示す図である。
【図６】実施例３の殺菌特性の結果を示す図である。
【図７】比較例２の殺菌特性の結果を示す図である。
【図８】実施例４の殺菌特性の結果を示す図である。
【図９】実施例５の濃度測定の結果を示す図である。
【図１０】実施例６の殺菌特性の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明では、大気圧プラズマ生成手段としてノズルタイプのプラズマ生成装置を用いてプラズマジェットを生成した。この生成装置は、円筒状の金属管の封じ端面に直径１ｍｍ程度の噴出孔を有しており、金属管の内部にプロセスガスを供給して、内部電極間に給電ラインから所定の電圧、電力を給電することでプラズマ生成し、噴出孔からプラズマジェットを噴出させるものである。なお、本発明では公知の株式会社プラズマコンセプト東京製ダメージフリーマルチガスプラズマジェット（登録商標）を用いてプラズマジェットを生成した。
【００１６】
プロセスガスとしては炭酸（ＣＯ２）ガスを含有率１００％で供給しても良いし、アルゴン（Ａｒ）や窒素（Ｎ２）などのキャリアガスに添加する方式でも良く、目的とする殺滅処理の効果を見ながら、プロセスガス中に含まれる炭酸（ＣＯ２）ガス含有率を選択することができる。炭酸（ＣＯ２）ガスとして、工業用グレード（純度９９．９％）のボンベガスを用いることもできる。
【００１７】
上記のような条件で生成したプラズマには、ＣＯ２から解離した原子状酸素（Ｏ・）や反応生成物である励起一重項酸素分子（１Ｏ２）、オゾン（Ｏ３）などの活性酸素や一酸化炭素（ＣＯ）などの反応性の高いガスを多量に含んでいる。ここで、活性酸素とは文字通り活性化された酸素種の総称で非常に高い酸化力を有しており、既知の文献等に記載の気相中の原子・分子ならびに電子衝突の反応素過程を考慮すると、大気圧プラズマジェット中には、これらに加えて、大気中の水分（Ｈ２Ｏ）から生成するヒドロキシラジカル（ＯＨ・）、スーパーオキシドアニオンラジカル（Ｏ２−・）などが含まれ、被処理対象に作用していると考えられる。
【００１８】
本発明のプラズマジェットで処理した微生物の電子顕微鏡写真から、活性酸素種が微生物表面を化学的に酸化、エッチングすることで、殺滅（不活化）が行われるものと推察される。特に、微生物が存在する容器内のプラズマ中の活性酸素種は非常に高い密度で生成されていることが予想され、発光分光分析法による実測から、これら活性種の存在を示唆するデータが得られており、支配的な殺滅因子となっていることが考えられる。
【００１９】
また、本発明では、事前に処理空間の雰囲気を大気（空気）からプロセスガス雰囲気に置換しておくことで、さらに殺滅の効果を高めることができる。
例えばインラインの殺滅工程において、プラスチックボトルの内壁表面を処理する場合、予めボトル内部にプロセスガス充填を行うステップを設けておき、その後、大気圧プラズマジェットで処理を行うことで、効果的なボトル内部の微生物殺滅処理を実現することができる。この際、ボトル内部には直接プラズマジェットが接触しなくても良い。例えば、５ｍｍ程度距離をおいた場所でプラズマジェットを生成させておいても、殺滅処理は可能である。
【００２０】
処理空間の雰囲気を炭酸（ＣＯ２）ガスを用いたプロセスガスで置換すると処理効率が向上する理由としては、通常の大気中での処理の場合、空気中に含まれる酸素（Ｏ２）や水分（Ｈ２Ｏ）とプラズマジェットから放出される活性酸素種、特に原子状酸素（Ｏ・）とが気相中で反応する。一方で、プラズマ中で生成した原子状酸素（Ｏ・）はプロセスガスのＣＯ２と反応しても４原子分子（ＣＯ３）は形成しにくいため、他のプロセスガスを使用した場合と比較して、原子状酸素（Ｏ・）の気相中での寿命が長くなり、被処理物へ到達しやすくなっているものと推察される。
【００２１】
本発明における微生物が表面に存在する被処理体としては、例えば、ガラス、セラミックスなどの無機材料、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアセタールなどのプラスチックスの成形品が挙げられるが、これら材質の固体表面に限定されるものではなく、例えば、液体又は液体表面に存在する微生物の殺滅処理にも応用が可能である。
液体表面に存在する微生物を殺滅処理する場合、液体表面に予めプロセスガスを吹きつけておくことで、ガス成分が液体中に浸潤し、殺滅の効果をより高めることができる。さらに液体を対流する機構を設けておくことで、底部に存在する微生物を表面近傍に送って処理を行うことができる。
【００２２】
以下、本発明の実施例及び比較例を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施例及び比較例は本発明の最も好適な例であり、本発明の趣旨の範囲内で種々に改変することが可能である。
【００２３】
実施例１．
実施例１では、大気圧プラズマ生成手段として、図１に示すようなノズルタイプのプラズマ生成装置１を用いた。なお、株式会社プラズマコンセプト東京製ダメージフリーマルチガスプラズマジェット（登録商標）を用いてプラズマジェットを生成した。大気圧プラズマを生成するために、プラズマ生成装置１の円筒状金属管の内部の電極間に、プロセスガスとして炭酸（ＣＯ２）ガスを流量５リットル／分（以下、ＬＭと表記）で供給した。また、大気圧プラズマが生成される周囲には、プロセスガス置換用のカバー４を設けてプラズマ生成装置の噴出孔からプロセスガスを流通した状態を３０秒間保持し、処理雰囲気をプロセスガス（ＣＯ２）で置換した。
【００２４】
図１に示すように、プラズマの噴出孔２から１０ｍｍ下部の位置に、枯草菌（Ｂａｃｉｌｌｕｓ ｓｕｂｔｉｌｉｓ）芽胞を１０５個程度、直径５ｍｍ程度のエリアにスポットしたメンブレンフィルタ３を噴出孔２の中心軸上に配置し、所定時間プラズマジェットを照射した。
【００２５】
プラズマジェットの照射処理後、菌スポットされたメンブレンフィルタ３を滅菌水中に投入、十分に菌を溶出させた後に滅菌水で段階希釈し、寒天培地に塗沫後、３６℃、２４時間インキュベータ内で培養し、寒天培地上に形成されたコロニー数を計数、殺菌特性を評価した。
【００２６】
実施例２．
実施例２では、プラズマ生成装置１の円筒状金属管の内部の電極間に、プロセスガスとしてアルゴン（Ａｒ）ガスと炭酸（ＣＯ２）ガスを総流量５ＬＭ、流量比９：１で混合させて供給すること以外は、実施例１と同様な構成及び条件で処理をして殺菌特性を評価した。
【００２７】
比較例１．
比較例１では、プラズマ生成装置１の円筒状金属管の内部の電極間に、プロセスガスとして空気（ＡＩＲ）ガスを流量５ＬＭで供給する以外は、実施例１と同様な構成及び条件で処理をして殺菌特性を評価した。
【００２８】
実施例３．
実施例３では、実施例１と同様のプラズマ生成装置１１を用い、大気圧プラズマが生成される周囲には、プロセスガス置換用のカバー１４を設けてガス流通した状態を３０秒間保持し、予め処理雰囲気をプロセスガスで置換した。
図２に示すように、芽胞形成菌（Ｇｅｏｂａｃｉｌｌｕｓ ｓｔｅａｒｏｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌｉｕｓ）芽胞及び枯草菌（Ｂａｃｉｌｌｕｓ ｓｕｂｔｉｌｉｓ）芽胞をそれぞれ事前に寒天培地１３上に所定濃度で塗沫した試験サンプルを用意し、大気圧プラズマを生成するために、プラズマ生成装置１１の円筒状金属管の内部に、プロセスガスとしてアルゴン（Ａｒ）ガスと炭酸（ＣＯ２）ガスを総流量５ＬＭ、流量比９：１で混合させて供給して、所定時間プラズマジェットを照射した。
【００２９】
プラズマジェットの照射処理後の寒天培地をそのまま所定温度のインキュベータで培養、培地上に発生したコロニーを目視で観察、写真撮影し、殺菌特性を評価した。
【００３０】
比較例２．
比較例２では、プラズマ生成装置１１の円筒状金属管の内部に、プロセスガスとしてアルゴン（Ａｒ）ガスと酸素（Ｏ２）ガスを総流量５ＬＭ、流量比９：１で混合させて供給すること以外は、実施例３と同様な構成及び条件で処理をして殺菌特性を評価した。
【００３１】
実施例４．
実施例４では、実施例３と同様な構成及び条件でプラズマジェットの照射処理をした。プラズマジェットの照射時間は５分間として、プラズマジェットの照射処理前後の枯草菌（Ｂ．ｓｕｂｔｉｌｉｓ）芽胞及び芽胞形成菌（Ｇ．ｓｔｅａｒｏ．）芽胞をそれぞれ走査型電子顕微鏡（ＪＳＭ−６５１０、日本電子）で観察した。
【００３２】
実施例５．
実施例５では、大気圧プラズマが生成される周囲をプロセスガス置換用のカバーで囲み、事前に処理空間の雰囲気を大気（空気）からプロセスガス雰囲気に置換する場合と、カバーで囲まずにプロセスガス雰囲気に置換しない場合とで、プラズマジェットの照射処理の空間中のオゾン（Ｏ３）及び一酸化炭素（ＣＯ）の生成濃度を北川式ガス検知管で測定した。
【００３３】
実施例６．
実施例６では、プロセスガスをアルゴン（Ａｒ）ガスと炭酸（ＣＯ２）ガス、総流量５ＬＭで、アルゴン（Ａｒ）ガスに対する炭酸（ＣＯ２）ガスの添加流量比を０−５０％に変化させ、照射時間３分間一定とした以外は実施例２と同様な処理、評価を行った。
【００３４】
実施例１における、大気圧プラズマ（ＣＯ２ガス）による枯草菌（Ｂ．ｓｕｂｔｉｌｉｓ）芽胞の処理結果を図３に示す。図３の縦軸及び横軸は、枯草菌（Ｂ．ｓｕｂｔｉｌｉｓ）芽胞が残存する割合及びプラズマジェットの照射時間をそれぞれ表す。
【００３５】
実施例２における、大気圧プラズマ（Ａｒ＋ＣＯ２ガス）による枯草菌（Ｂ．ｓｕｂｔｉｌｉｓ）芽胞の処理結果を図４に示す。図４の縦軸及び横軸は、枯草菌（Ｂ．ｓｕｂｔｉｌｉｓ）芽胞が残存する割合及びプラズマジェットの照射時間をそれぞれ表す。
【００３６】
比較例１における、大気圧プラズマ（ＡＩＲガス）による枯草菌（Ｂ．ｓｕｂｔｉｌｉｓ）芽胞の処理結果を図５に示す。図５の縦軸及び横軸は、枯草菌（Ｂ．ｓｕｂｔｉｌｉｓ）芽胞が残存する割合及びプラズマジェットの照射時間をそれぞれ表す。
【００３７】
図３から図５に示される結果から、炭酸（ＣＯ２）ガスを添加した大気圧プラズマによる処理ではリニアに菌桁数が減少し、菌の殺滅効果が認められた。一方、空気（ＡＩＲ）ガスでは、菌桁数にほとんど減少がなく、殺滅効果は認められなかった。
【００３８】
実施例３における、大気圧プラズマ（Ａｒ＋ＣＯ２ガス）の照射処理後の寒天培地写真を図６に示す。また、比較例２における、大気圧プラズマ（Ａｒ＋Ｏ２ガス）の照射処理後の寒天培地写真を図７に示す。図６及び図７において、左からプラズマジェットの照射時間が１０秒間、１分間、５分間をそれぞれ表す。
【００３９】
図６に示される結果から、何れの指標菌においても、ＣＯ２ガスを添加した大気圧プラズマでは寒天培地中心から放射状にコロニー形成の抑制が認められた。一方、図７に示される結果から、Ｏ２を添加した大気圧プラズマでは、プラズマジェットの照射処理後の顕著な変化は認められなかった。
【００４０】
実施例４の電子顕微鏡観察像を図８に示す。図８に示される結果から、何れの指標菌でも、プラズマジェットの照射後、芽胞体（ｓｐｏｒｅ）が収縮又は互いに癒着したような物理形態の変化が認められた。
【００４１】
実施例５における、プラズマジェットの照射処理の空間中のオゾン（Ｏ３）及び一酸化炭素（ＣＯ）の生成濃度の測定結果を図９に示す。大気圧プラズマが生成される周囲をプロセスガス置換用のカバーで囲み、事前に処理空間の雰囲気を大気（空気）からプロセスガス雰囲気に置換する場合、オゾン（Ｏ３）３５ｐｐｍ、一酸化炭素（ＣＯ）５０ｐｐｍ超であった。一方、大気圧プラズマが生成される周囲をプロセスガス置換用のカバーで囲まずに、事前に処理空間の雰囲気を大気（空気）からプロセスガス雰囲気に置換しない場合、オゾン（Ｏ３）生成濃度は２．５ｐｐｍ、一酸化炭素（ＣＯ）生成濃度は３ｐｐｍであった。
【００４２】
実施例６における、処理の結果を図１０に示す。炭酸（ＣＯ２）ガス含有率が５％以上であればプラズマジェットを生成でき、殺滅効果は十分発揮できていることを確認した。
なお、ここでは炭酸（ＣＯ２）ガス含有率が５０％までの実施例を例示したが、５０−１００％の範囲でも同様な殺滅効果が得られており、本発明の有効範囲として作用することを確認している。
【００４３】
ここでは実施例を示していないが、大気圧プラズマが生成される周囲をプロセスガス置換用のカバーで囲み、事前に処理空間の雰囲気を大気（空気）からプロセスガス雰囲気に置換する場合に、顕著に殺滅効果の増加が認められた。大気圧プラズマが生成される周囲をプロセスガス置換用のカバーで囲まずに、事前に処理空間の雰囲気を大気（空気）からプロセスガス雰囲気に置換しない場合、周囲の大気に含まれる酸素（Ｏ２）や水分（Ｈ２Ｏ）によって原子状酸素（Ｏ・）がクエンチング（減衰）されていることが考えられる。
【００４４】
図３から図１０に示される結果から、プラズマ中の電界で加速された電子がＣＯ２ガスに衝突してガス分子を解離し、多量の原子状酸素（Ｏ・）などの活性酸素種がクエンチング（減衰）されることなく生成され、これらがプラズマ源外部へ放出、支配的因子となって微生物表面の細胞壁をエッチングすることによって、微生物が殺滅（不活化）に至っていると考えられる。
【００４５】
これらの検証結果から、本発明の大気圧プラズマによる微生物の殺滅装置及び方法によって、微生物が効果的に殺滅できることが明らかとなった。なお、本発明では、プラズマジェット径が数ｍｍ程度と直接的な処理の面積が狭いプラズマ生成源による処理の実施例を示したが、プラズマ噴出孔の径を拡大、ガス流量及び投入電力などの増加により、この処理面積を容易に拡大することができる。また、処理時間の短縮を図ることも可能である。
【００４６】
また、本発明の実施例には、プラズマを生成せずに、まずプラズマノズルから吹き出すプロセスガスを使って、処理雰囲気を置換してからその後プラズマを生成し、処理を行う方法を例示したが、この限りではなく、例えばガス置換手段（ガス供給手段）は、ガス置換用のカバー部などに設けておき、ガス置換後に殺滅処理を実施してもよい。このような構成とすることで、例えばインラインで搬送されてくるプラスチックなどの容器内面に付着した微生物の殺滅を確実に実施することができる。
なお、本発明のプラズマ殺滅装置は、容器内にプラズマを導入する大気圧プラズマ生成手段を備えていれば、第１実施形態〜第６実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であり、例えば、プラズマ源は炭酸ガスの含有率が５％以上のガスでプラズマ化できるものであれば何れの構成でもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１、１１．プラズマ生成装置
２、１２．噴出孔
３．メンブレンフィルタ
１３．寒天培地
４、１４．カバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図９】
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【図１０】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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