(57)【要約】      （修正有）【課題】プラズマを利用して、安全かつ確実に消毒、殺菌を行うことができる方法を提供する。【解決手段】処理槽１と、給水源２と、給水源から処理槽に水Ｗを供給する給水手段３、４と、処理槽の上方に配置され、処理槽の水面に向けてプラズマを照射するプラズマ発生手段５と、プラズマ発生手段を支持する支持手段と、プラズマ発生手段にガスを供給するガス供給源１１と、処理槽から、プラズマ処理された水Ｗを排出する排水手段１２、１３を備える。プラズマ発生手段は、処理槽の水中に電流を流すことなく発生させたプラズマを照射する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水に対し、水中に電流が流れないようにして発生させたプラズマを照射することによって機能水を製造する方法。
【請求項２】
前記プラズマは、マイクロ波プラズマであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記プラズマを大気圧中またはそれ以上の高圧中において前記水に照射することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記プラズマは、希ガスを用いて発生させたものであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記水は、超純水およびイオン交換水および精製水および蒸留水のうちのいずれか１つまたはそれらのうちの複数の組み合わせからなっていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
処理槽と、
給水源と、
前記給水源から前記処理槽に水を供給する給水手段と、
前記処理槽の水面または水中にプラズマを照射するプラズマ発生手段と、
前記プラズマ発生手段を支持する支持手段と、
前記プラズマ発生手段にガスを供給するガス供給源と、
前記処理槽から、プラズマ処理された水を排出する排水手段と、を備え、
前記プラズマ発生手段は、前記処理槽の水中に電流を流すことなく発生させたプラズマを照射することを特徴とする機能水を製造する装置。
【請求項７】
前記プラズマ発生手段は、マイクロ波プラズマ発生手段からなっていることを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記プラズマ発生手段からのプラズマ照射が大気圧中またはそれ以上の高圧中においてなされることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記ガス供給源は、希ガスを供給することを特徴とする請求項６〜請求項８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
前記水は、超純水およびイオン交換水および精製水および蒸留水のうちのいずれか１つまたはそれらのうちの複数の組み合わせからなっていることを特徴とする請求項６〜請求項９のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
前記処理槽中の水を攪拌する攪拌手段を備えたことを特徴とする請求項６〜請求項１０のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
前記処理槽を冷却する冷却手段を備えたことを特徴とする請求項５〜請求項１１のいずれかに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機能水、特に、弱酸性を有し、菌の増殖を抑制する効果を備えた水を、化学薬品を利用することなく製造するための方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、大気圧低温プラズマを利用して対象物を消毒および殺菌する方法が知られている。このような方法としては、例えば、殺菌性液状物質を気化させた気体、反応性気体またはそれらの混合気体を放電領域に導入し、生成した大気圧低温プラズマ領域内のプラズマ活性種を、食品の包装材料や包装容器、または医療材料等に接触させる殺菌方法（例えば、特許文献１参照）や、大気圧低温プラズマを病原微生物に直接噴射することによって対象物を殺菌する方法（例えば、特許文献２参照）が存在する。
【０００３】
また、対向する電極を有するプラズマ反応装置に希ガスまたは希ガスを主とした混合ガスを導入し、大気圧グロー放電によってプラズマを発生させ、対向する電極間に位置させた包装材料、容器、医療材料等にプラズマを照射することによって殺菌する方法が存在する（例えば、特許文献３参照）。
【０００４】
ところで、一般に、微生物は湿潤な環境中において活動しており、このため、大気圧中においてプラズマ発生装置で生成されたプラズマ放射光や活性種は、微生物に直接接触することがない。なぜなら、これらの微生物は水によって取り囲まれているからである。
したがって、上述のような従来のプラズマを利用した殺菌方法では、微生物を取り囲む水のシールドという障壁を確実に打ち破ることができず、安全かつ確実に消毒、殺菌することができず、特に、水分を含んだ対象物または液体の消毒や殺菌に対して有効ではなかった。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−５４５５６号公報
【特許文献２】特開２００６−１０２００４号公報
【特許文献３】特開平８−１５６９２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本発明の課題は、プラズマを利用して、安全かつ確実に消毒、殺菌を行うことができる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、第１発明によれば、水に対し、水中に電流が流れないようにして発生させたプラズマを照射することによって機能水を製造する方法が提供される。なお、本明細書中において、「水中に電流が流れないようにして発生させたプラズマ」とは、水が電流回路の一部を構成して水中を電流が流れる状態で発生させたプラズマを除外する意味である。
【０００８】
第１発明の構成において、前記プラズマは、マイクロ波プラズマであることが好ましく、また、前記プラズマを大気圧中またはそれ以上の高圧中において前記水に照射するようになっていることが好ましい。
また、前記プラズマは、希ガスを用いて発生させたものであることが好ましく、また、前記水は、超純水、イオン交換水、精製水、飲料水および処理水（汚水、洗浄処理後の水、薬品処理水等）のうちのいずれか１つまたはそれらのうちの複数の組み合わせからなっていることが好ましい。
【０００９】
上記課題を解決するため、また、第２発明によれば、処理槽と、給水源と、前記給水源から前記処理槽に水を供給する給水手段と、前記処理槽の水面または水中にプラズマを照射するプラズマ発生手段と、前記プラズマ発生手段を支持する支持手段と、前記プラズマ発生手段にガスを供給するガス供給源と、前記処理槽から、プラズマ処理された水を排出する排水手段と、を備え、前記プラズマ発生手段は、前記処理槽の水中に電流を流すことなく発生させたプラズマを照射することを特徴とする機能水を製造する装置が提供される。
【００１０】
第２発明の構成において、前記プラズマ発生手段は、マイクロ波プラズマ発生手段からなっていることが好ましく、また、前記プラズマ発生手段からのプラズマ照射が大気圧中またはそれ以上の高圧中においてなされることが好ましい。
【００１１】
また、好ましくは、前記ガス供給源は、希ガスを供給するようになっており、また、前記水は、超純水、イオン交換水、精製水、飲料水および処理水（汚水、洗浄処理後の水、薬品処理水等）のうちのいずれか１つまたはそれらのうちの複数の組み合わせからなっていることが好ましい。
また、前記装置は、前記処理槽中の水を攪拌する攪拌手段を備えていてもよく、また、前記装置は、前記処理槽を冷却する冷却手段を備えていてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、水に、水中に電流が流れないようにして発生させたプラズマを直接照射することにより、化学薬品を利用する方法によらずに水のＰＨ値を低下させるとともに、水中の活性酸素の濃度を増大させることができ、その結果、弱酸性で、活性酸素を豊富に含んだ機能水を効率的に製造することができる。この機能水は、菌の増殖を抑制することができ、消毒、殺菌効果を奏する。
本発明によれば、かかる機能水を、化学薬品を使用することなく、簡単かつ低コストで大量に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例について説明する。図１は、本発明の１実施例による機能水製造装置の概略構成を示す図である。図１を参照して、本発明による機能水製造装置は、処理槽１と、給水源２と、給水源２から処理槽１に水Ｗを供給する給水管３と、給水管３の途中に設けられた給水ポンプ４を備えている。
給水源２から供給される水は、超純水およびイオン交換水および精製水および蒸留水のうちのいずれか１つまたはそれらのうちの複数の組み合わせからなっていることが好ましいが、一般の水道水等であってもよい。
【００１４】
処理槽１の上方には、処理槽１の水面に向けてプラズマを照射するプラズマ発生手段５が配置される。図示はされないが、プラズマ発生手段５は適当な支持手段によって支持されている。プラズマ発生手段としては、公知の適当なものを使用することができる。この実施例では、プラズマ発生手段５は、マイクロ波プラズマ発生手段、例えば、キャビティ型マイクロ波プラズマトーチからなっている。この場合、キャビティ型マイクロ波プラズマトーチの代わりに、マイクロ波ラインプラズマ発生装置を用いてもよい。
プラズマ発生手段は、マイクロ波プラズマ発生手段に限定されず、処理槽１の水中に電流を流すことなく発生させたプラズマを照射することができる任意のプラズマ発生手段であればよい。すなわち、本発明では、例えば、一方の電極を水中に配置する一方、他方の電極を水面の上方に配置し、２つの電極間に高電圧を印加して放電を生じさせることによってプラズマを発生させるような構成のプラズマ発生手段は除外される。
また、プラズマ発生手段は、大気圧中またはそれ以上の高圧中でプラズマを発生、照射し得るものが好ましい。
【００１５】
図１において、キャビティ型マイクロ波プラズマトーチ５は、両端開口が閉じられた円筒状のキャビティ６と、キャビティ６を中心軸方向に貫通してのびる放電管７を備えている。キャビティ６は、例えば銅等の導体からなり、放電管７は、例えば石英等の誘電体からなっている。
【００１６】
また、キャビティ６の側壁には、（図示されない）アンテナが設けられ、アンテナには同軸ケーブル８の一端側が接続される。同軸ケーブル８の他端側は、マイクロ波電源９に接続されている。
【００１７】
放電管７の上端には、ガス供給源１１がガス供給管１０を通じて接続されている。ガス供給源１１は、アルゴン等の希ガスを供給するようになっている。マイクロ波電源９からマイクロ波をキャビティ６内に供給することによって、放電管７の下端開口から希ガスのプラズマが照射される。
【００１８】
処理槽１の下部側壁に排水口が形成され、排水口には、プラズマ処理された水を排出する排水管１２が接続されている。また、排水管１２の途中には、開閉バルブ１３が備えられている。
また、処理槽１は、（図示されない）公知の適当な水冷装置を備えた冷却用水槽１４内に配置される。なお、処理槽１の排水管１２は、冷却用水槽１４の側壁を貫通して外部にのびるように配置されている。
【００１９】
さらに、冷却用水槽１４の下側には、マグネチック・スターラーの本体１５が配置されるとともに、処理槽１内にマグネチック・スターラーの攪拌子１６が配置され、処理槽１内の水Ｗが攪拌され得るようになっている。この場合、マグネチック・スターラー１５、１６の代わりに、公知の別の攪拌手段を用いてもよい。攪拌手段は必要に応じて備えられる。
攪拌手段を設ける代わりに、マイクロ波プラズマトーチ５を動かすことで、プラズマの照射エリアを処理槽１の水面全体にわたって移動させること、あるいは、処理槽１への水Ｗの供給速度と処理槽１からの処理後の水Ｗの排出速度量を調節して、処理槽１内に一定の水流を生じさせること等によっても攪拌手段と同様の効果が得られる。
【００２０】
以下、本発明の機能水製造装置の動作について簡単に説明する。
本発明の機能水製造装置は、その全体が大気圧中に配置される。そして、排水管１２の開閉バルブ１３が閉じられた状態で、水Ｗが給水源２から給水管３を通じて処理槽１内に供給され、処理槽１に一定量の水Ｗが貯えられた時点で、水Ｗの供給が停止される。そして、マグネチック・スターラー１５、１６のスイッチが入れられ、水Ｗが攪拌される。
【００２１】
また、マイクロ波電源９から同軸ケーブル９を通じてキャビティ６内に所定の波長のマイクロ波が出力される。また、ガス供給源１１からガス導入管路１０を通じて放電管７内にガスが導入されるそれによって、プラズマが放電管７内に生成され、放電管７の下端開口から処理槽１の水面に向けて照射され、水Ｗがプラズマ処理される。
【００２２】
一定時間が経過し、処理槽１の水Ｗの全体がプラズマ処理された時点で、マイクロ波プラズマトーチ５およびマグネチック・スターラー１５、１６の動作が停止され、開閉バルブ１３が開かれて、処理槽１からプラズマ処理後の水Ｗが取り出される。その後、開閉バルブ１３が閉じられ、新たな水Ｗが処理槽１に供給され、前と同様にして、新たな水Ｗのプラズマ処理が行われる。
【００２３】
水Ｗは、プラズマ処理されることによって、そのＰＨ値が低下して弱酸性を示すとともに、活性酸素を豊富に含むようになる。こうして、本発明によれば、弱酸性で、活性酸素を豊富に含んだ機能水が製造される。この機能水は、菌の増殖を抑制することができ、消毒および殺菌効果を奏する。
【００２４】
次に、本発明による機能水製造装置によって得られた機能水の特性を調べるための実験を行った。
（実施例１）
処理槽１として、直径９０ｍｍのガラス製シャーレーを使用し、シャーレー１を冷却用水槽１４内に配置するとともに、シャーレー１内に２０ｍｌの精製水Ｗを貯えた。また、キャビティ型マイクロ波プラズマトーチ５の放電管７の内径を１０ｍｍとし、キャビティ６の長さ１５０ｍｍとした。そして、２．４５ＧＨｚ、４００Ｗのマイクロ波を適用するとともに、放電管７内にアルゴンガス（９９．９９％）を２リットル／分の割合で導入した。また、放電管７の下端開口およびシャーレー１の水面間の間隔をｚ＝２５ｍｍとした。ｚ＝２５ｍｍの位置でプラズマガスの温度は８２７Ｋであった。
【００２５】
そして、シャーレー１の水面に向けてアルゴンガスプラズマを１０分間照射した。プラズマの照射の間に、シャーレーの精製水をマグネチック・スターラー１５、１６によってゆっくりと攪拌した。
１０分間のプラズマ照射の後、プラズマの照射を停止するとすぐに、シャーレー１を温度制御された水槽中に収容し、その後３０分間、シャーレー１の精製水の温度が３０３Ｋに維持されるようにした。
【００２６】
（比較例１）
上記と同様の装置を使用するとともに、冷却用水槽１４に光を透過する蓋をし、プラズマガスはシャーレー１の水Ｗにあてずに、光（プラズマ放射光）のみをシャーレー１の水面に１０分間照射し、プラズマの照射を停止するとすぐに、シャーレー１を温度制御された水槽中に収容し、その後３０分間、シャーレー１の精製水の温度が３０３Ｋに維持されるようにした。
【００２７】
（比較例２）
未処理の精製水を比較例２とした。
（比較例３）
未処理の精製水中に０．１ＮのＨＣｌを混合し、ＰＨ＝４．７の酸性水を作製した。
【００２８】
照度計（ルミネセンサー  ＰＳＮ  ＡＢ−２２００、アット社製）およびルミノール液（バクトルミックス  ＡＢ−２９６０  アット社製）を用いて、実施例による精製水の含有活性酸素量の時間経過につれての変化を集積化学発光強度（ＩＣＬＩ）として測定した。測定は、シャーレー１の精製水を９０μｌ、およびバッファー液（０．１Ｍ  ＫＨ２ＰＯ４および０．０５ｍＭ  ＥＤＴＡ２Ｎa、ＰＨ＝７．４）をピペットで試験管に採取し、試験管内に１００μｌのルミノール液を注入することによって行った。
【００２９】
測定結果を図２のグラフに示した。図２のグラフを参照して、プラズマ照射前の精製水中の活性酸素量は、平均で１４９６カウント／１０秒であった。そして、精製水に対するプラズマ照射を開始すると、精製水中の活性酸素量は急激に増加し、１０分経過後には、最大で３０５００カウント／１０秒に達した。プラズマ照射を１０分間行った後に停止し、その後３０分経過した時点でも、精製水中には、ピーク時の約４３％の活性酸素が残留している。
【００３０】
次に、上記と同様の照度計およびルミノール液を用いて、マイクロ波プラズマトーチ５の放電管７の下端開口およびシャーレー１の水面の間隔ｚを変化させながら、実施例による精製水の含有活性酸素量を測定した。測定結果を図６のグラフに示した。図６のグラフからわかるように、放電管７の下端開口およびシャーレー１の水面の間隔が大きくなるにつれて含有活性酸素量が減少することがわかる。これは、放電管７の下端開口に近い位置ほどプラズマのエネルギーが高いため、精製水との反応が強くなることを意味している。
【００３１】
さらに、上記と同様の照度計およびルミノール液を用いて、実施例（プラズマ照射した精製水）、比較例１（プラズマ放射光のみを照射した精製水）および比較例２（未処理の精製水）のそれぞれの含有活性酸素量を集積化学発光強度として測定した。
測定結果を図３のグラフに示した。図３のグラフに示すように、プラズマを照射した精製水、プラズマ放射光のみを照射した精製水、および未処理の精製水の含有活性酸素量は、それぞれ、平均で３０５００カウント／１０秒、２１７０カウント／１０秒、および１４９０カウント／１０秒である。これから、精製水にプラズマ照射を行うことによって、含有活性酸素量が増大することがわかる。また、精製水にプラズマ放射光のみを照射しても、含有活性酸素量はあまり増加せず、よって、精製水中の活性酸素量の増大に関し、プラズマ放射光は殆ど影響しないことがわかる。
【００３２】
次に、実施例による精製水のＰＨ値の時間経過につれての変化を測定した。測定結果を図４のグラフに示した。図４のグラフを参照して、プラズマ照射によって、精製水のＰＨ値が、６．４９から４．８４まで低下した。そして、３０分経過後にＰＨ値が４．８９の最小値をとり、その後は、時間が経過してもＰＨ値は殆ど変化しなかった。こうして、精製水にプラズマを照射することによって、通常の化学薬品を用いる方法によらずに精製水のＰＨ値を弱酸性に変化させることができた。
この場合、ＰＨ値が低下する要因としては、照射されるプラズマの下流域で生成された窒素酸化物が精製水に溶解して、硝酸が生成されるからではないかと考えられる。
【００３３】
次に、実施例による精製水に菌の増殖抑制作用があるかどうかを調べた。
独立行政法人製品評価技術基盤機構から入手した大腸菌ＮＢＲＣ３３０１を、寒天プレート（１０ｇ／ｌのポリペプトン、２ｇ／ｌの酵母エキス、１ｇ／ｌのＭgＳＯ４・７Ｈ２Ｏ、１５ｇ／ｌの寒天粉末から形成。ＰＨ＝７．０）上において、３０３Ｋの温度で１６時間培養した。寒天プレートから、大腸菌の１つのコロニーを８ｍｌの培養液（１０ｇ／ｌのポリペプトン、２ｇ／ｌの酵母エキス、１ｇ／ｌのＭgＳＯ４・７Ｈ２Ｏから形成。ＰＨ＝７．０）を含む培養管に移した。８時間の培養の後、８０μｌの培養管の液体を、８ｍｌの培養液に移し、さらに８時間培養した。活性試験を行う前に、この大腸菌の培養液を遠心分離管に移し、遠心分離器を用いて、生理的食塩水中において、２０４６Ｇで１５分間、３回遠心分離した。そして、大腸菌の培養液を、生理的食塩水によって１０倍に希釈した。
【００３４】
３本の試験管に、それぞれ、実施例によるプラズマ照射後の精製水を４．４ｍｌ、比較例２による未処理の精製水を４．４ｍｌ、および比較例３による酸性水を４．４ｍｌ注入し、各試験管に、上記１０倍に希釈した培養液を０．１ｍｌと、４５倍に濃縮した生理的食塩水を０．５ｍｌ、ピペットを用いて注入した。注入後１０分経過した時点で、各試験管から液を０．４７ｍｌずつ採取し、それぞれ、同じ濃度および同じ成分を有する培養液中で８時間培養した。そして、３つの培養液それぞれの活性試験を、濁度（６００ｎｍ）として測定した。
【００３５】
測定結果を図５のグラフに示した。図５からわかるように、実施例の精製水のＰＨ値および比較例３の酸性水のＰＨ値が、それぞれ、４．８４および４．７であり、両者のＰＨ値がほぼ同じであるにもかかわらず、実施例の精製水は、大腸菌の活性を約５７％減少させるのに対し、比較例３の酸性水および比較例２の未処理の精製水は、濁度が１．２とほぼ同じであることから、比較例３の酸性水の抑制効果は、比較例２の未処理の精製水と殆ど同じである。このことから、実施例のプラズマ照射後の精製水の抑制効果が、弱酸性であることではなく、むしろ含有活性酸素に起因していることがわかる。
【００３６】
本発明の構成は、上述の実施例に限定されない。例えば、上述の実施例では、マイクロ波プラズマトーチの放電管の下端をプラズマを処理槽の水面から間隔をあけて配置し、プラズマを水面に向けて照射する構成としたが、マイクロ波プラズマトーチの放電管の下端を処理槽の水中に入れ、プラズマを処理槽の水中に照射する構成とすることもできる。この場合には、放電管の周壁に少なくとも１つの開口部を設け、この開口部から空気を導入することが好ましい。
【００３７】
また、上述の実施例では、本発明の装置を大気圧中においてプラズマ照射を行う構成としたが、本発明の装置を大気圧以上の高圧中において作動させて、プラズマ照射を行うようにしてもよい。
【００３８】
さらには、本発明を浄化処理工程に適用し、汚水に対してプラズマ照射を行うことで、汚水を浄化すること、また、本発明をワインやビール等の製造工程に適用し、ワインやビール等の味覚等の品質を改良することが可能である。また、薬品処理の後工程や、半導体処理工程などに本発明を適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明による機能水製造装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明によるプラズマ照射した精製水の含有活性酸素量の時間経過につれての変化を集積化学発光強度（ＩＣＬＩ）として測定したグラフである。
【図３】プラズマ照射した精製水、プラズマ放射光のみを照射した精製水および未処理の精製水のそれぞれの含有活性酸素量をＩＣＬＩとして測定したグラフである。
【図４】本発明によるプラズマ照射した精製水のＰＨ値の時間経過につれての変化を測定したグラフである。
【図５】それぞれ、プラズマ照射した精製水、プラズマ放射光のみを照射した精製水および未処理の精製水を含む培養液中の大腸菌の活性試験の結果を示すグラフである。
【図６】プラズマの照射距離の変化につれての、本発明によるプラズマ照射した精製水の含有活性酸素量の変化を測定したグラフである。
【符号の説明】
【００４０】
１  処理槽
２  給水源
３  給水管
４  給水ポンプ
５  キャビティ型マイクロ波プラズマトーチ
６  キャビティ
７  放電管
８  同軸ケーブル
９  マイクロ波電源
１０  ガス供給管
１１  ガス供給源
１２  排水管
１３  開閉バルブ
１４  冷却用水槽
１５  マグネチック・スターラー本体
１６  攪拌子
Ｗ  水
【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６】
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