(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
封入された水の過冷却解除剤として氷核活性細菌を利用した蓄熱カプセルにおいて、前記氷核活性細菌は２４５〜２７０ｎｍの紫外線が照射されることによって殺菌され、尚かつ殺菌された後に凍結乾燥処理されてから前記蓄熱カプセル内に添加されたものであることを特徴とする氷核活性細菌を利用した蓄熱カプセル。
【請求項２】
２６０ｎｍ付近の紫外線が照射されることを特徴とする請求項１記載の氷核活性細菌を利用した蓄熱カプセル。
【請求項３】
前記紫外線の照射時間が２０分であることを特徴とする請求項２記載の氷核活性殺菌を利用した蓄熱カプセル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、氷核活性細菌を利用した蓄熱カプセルに関する。さらに詳述すると、本発明は、氷核活性細菌を利用して過冷却現象をなくす蓄熱カプセルにおける過冷却解除能の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
主に大規模な熱供給プラントで実用化されているカプセル型氷蓄熱システムでは蓄熱物質である水の過冷却解除が課題となっており、従来、過冷却を解除するための氷核活性物質として例えばヨウ化銀（ＡｇＩ）や粘土鉱物の一種が実用化されているが、近年では、人工降雪や食品凍結の分野で実用化されている氷核活性細菌に高い過冷却解除効果が認められている。氷核活性細菌は安価で安全性も高いことから、ＡｇＩに替わる過冷却解除剤として非常に有効であると考えられている。例えば、特開平２−２８６７７７号公報、特表平５−５０２６６４号公報さらには特開平８−４２９８４号公報などに過冷却解除部材として氷核活性細菌を用いる技術が記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のように生菌を過冷却解除部材として利用した蓄熱カプセルにおいては、主に微生物の代謝によって細胞表面が変質するため、長期の使用に際し、過冷却解除剤としての性能が徐々に低下し、凍結開始温度のばらつきが大きくなることから長期安定性に欠けるという問題がある。
【０００４】
この点、上記の特開平８−４２９８４号公報では、水中に生きている微生物が混入している場合は水質の経時変化が生じるので、これを極力避けるため、カプセル内部に封入する水は純水、蒸留水、きめの細かなフィルタにより濾過された水などを用い、あるいは、水に滅菌処理を施すか防腐剤を添加することにより水質が変化するのを抑えてもよいと記載されてはいる。しかし、これでも十分長期にわたり安定した過冷却解除能力を確保するには至らない。
【０００５】
そこで本発明は、過冷却解除能の長期安定性を確保しうるようにした氷核活性細菌を利用した蓄熱カプセルを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
ここで、氷核活性細菌の構造や、氷核活性細菌を核とする氷の形成メカニズムについては未だ明らかになっていない部分があるものの、本願発明者らは、種々の実験および検討の結果、氷核活性細菌の氷核活性発現がもっぱら細胞膜あるいは細胞壁の構造によってもたらされることから、これら細胞膜あるいは細胞壁の構造を維持しつつ細菌の増殖・汚染を防ぐことを知見するに至った。
【０００７】
請求項１記載の発明は、かかる知見に基づくものであり、封入された水の過冷却解除剤として氷核活性細菌を利用した蓄熱カプセルにおいて、氷核活性細菌は２４５〜２７０ｎｍの紫外線が照射されることによって殺菌され、尚かつ殺菌された後に凍結乾燥処理されてから蓄熱カプセル内に添加されたものであることを特徴としている。この場合、細胞膜あるいは細胞壁の構造を損なわない限り氷核活性能はそのまま維持されることに加え、細菌は死滅していることから、氷核活性細菌自体の代謝が失われ蓄熱カプセルの高い氷核活性能を長期にわたって安定に維持することが可能となる。
【０００８】
このように死滅させた氷核活性細菌を利用する場合、放射線照射、特に紫外線照射によって氷核活性細菌を殺菌することが効果的である。これによれば、細胞膜あるいは細胞壁の構造を維持しつつ核酸を損傷させることにより、氷核活性能を保ちながら細菌を完全に死滅させることが可能となる。紫外線の波長は特に限定されることはなく、氷核活性能を維持しつつ効果的に核酸に損傷を与えうる全ての波長の紫外線が含まれるが、この中でも好ましいのは２４５〜２７０ｎｍの波長のものである。
【０００９】
また、放射線照射する場合、特にＤＮＡがよく光を吸収する２６０ｎｍ付近の波長の紫外線を照射すれば氷核活性能を維持しながら核酸を死滅させることができて効果的である。また、紫外線以外にも、γ線、電子線などが効果的である。
【００１０】
さらに、放射線照射以外には塩化ベンザルコニウム等を用いた薬品処理、加圧処理あるいは超音波破砕などによることが好ましい。これらの手段によって氷核活性細菌を殺菌し、氷核活性物質として利用することができる。また、殺菌処理をより完全なものとするには、これらの手段によって氷核活性細菌を殺菌処理した後さらに凍結乾燥することが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００１２】
図１に本発明を適用した蓄熱カプセル１を示す。この蓄熱カプセル１は、殺菌して死滅させた氷核活性細菌３をカプセル内に封入された水２に添加することで構成したものである。水２としては滅菌水を用いることが好ましい。また、水２はカプセル内容積より少ない量が封入され、その差分は凍結時の体積膨張を吸収する気相４となっている。
【００１３】
蓄熱カプセル１は、例えば図２に示すような蓄熱システムに適用される。図示する蓄熱システムは水を蓄熱物質とし、水を封入した蓄熱カプセル１、蓄熱カプセル１を充填した蓄熱槽５、冷熱を作る冷凍機６、不凍液（ブライン）７と冷媒８との熱交換を行う熱交換器９からなる。また、これらの他にコンプレッサ１０、循環ポンプ１１が設けられている。
【００１４】
蓄熱時には、熱交換器９を介して冷却された不凍液７によって、蓄熱槽５内に充填した蓄熱カプセル１が冷却される。つまり、冷凍機６で作り出された冷熱は氷として蓄熱カプセル１内に蓄えられる。放熱時には氷が水に融解する際の潜熱を取り出すことによって、冷熱を放出して冷房に利用する。水の凝固点は０℃であるが、実際の現象では過冷却現象により０℃よりも低い温度で凍結を開始するので、氷を生成するためには不凍液７の温度をさらに下げる必要が生じている。
【００１５】
ここで、この過冷却現象を解消あるいは減少させるために投入する氷核活性細菌２に関し、過冷却解除能の長期安定性確保を目的とする種々の実験と検討を行ったので実施例として示す。以下では、はじめに１．として微生物の性能に関する実験・検討を示し、続いて２．微生物の加工処理に関する実験・検討を示す。なお、本明細書でいう微生物は、氷核活性能を有する細菌を含む広い概念で用いている。また、殺菌されて死滅した氷核活性細菌は厳密な意味ではもはや氷核活性細菌でないかもしれないが、本明細書では死滅後のものを含めて「氷核活性細菌」と呼んでいる。
【００１６】
【実施例】
１．微生物の性能（過冷却解除能力の比較）
ここでは、氷核活性遺伝子を有するとされる代表的な３つの菌種、シュードモナス  シリンガエ(Psudomonas syringae)、エルビニア  アナナス(Erwinia ananas)、キサントモナス  キャンペストリス(Xanthomonas campestris) について、これらを添加した水の凍結開始温度を測定することにより、微生物の過冷却解除能能力を評価した。尚、以下、P.syringae、E.ananas、X.campestrisとそれぞれ略す。
【００１７】
（微生物の調製）
使用した微生物のうち、P.syringae及びE.ananasについては菌株を入手し、凍結保存されている菌株を２０℃の恒温槽で４８時間震盪培養し、これを洗浄後、純水に再浮遊させたものを生菌試料として用いた。
【００１８】
X.campestrisについては、試験研究用微生物遺伝資源（X.campestris pv.MAFF301035）の凍結保存されている菌株をＰＰＤＡ培地で２０℃、４８時間、震盪培養し、生菌試料とした。
【００１９】
生菌試料に含まれる菌数については、希釈した菌懸濁液を平板寒天培地上にまいて培養し、生じるコロニーの数から生菌数を算出するコロニー計数法を採用した。計測の結果、実験に使用した試料の生菌数は表１の通りである。
【表１】
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（実験手順）
試験管に生菌試料１ｍｌを分取し、８ｍｌにメスアップして恒温槽内に設置した。尚、水については市販の蒸留水をオートクレーブで滅菌処理して使用した。恒温槽は空冷式であり、図３に示す温度プロファイルに沿って昇降温を繰り返し、試験管内に挿入した熱電対により微生物を添加した水の温度を２秒間隔で測定した。
【００２０】
（実験結果）
それぞれの微生物を添加した水の冷却曲線の一例を図４に示す。いずれの微生物を添加した場合にも、水のみと比べ、高い過冷却解除能力を示している。
【００２１】
次に過冷却解除能力の持続性を評価するために、融解・凝固の繰り返し試験を行った。図５に示すように、P.syringaeとE.ananasについては、１５０回程度までは安定して高い活性を示すが、その後凍結開始温度のばらつきが顕著になる傾向が見られた。また、X.campestrisでは高い過冷却解除能力を示すのは初期のみであり、活性の持続性はないと言える。４００回以降、水の凍結は殆ど起こらなくなり、細菌の添加によって水が不凍化する傾向にあることがわかった。なお、図５中、矢印のポイントで水のオートクレーブ滅菌を施している。また、＋(X.campestrisを示すプロット)について、３００回以降プロットのない部分は凍結が起こらなかったことを示している。
【００２２】
P.syringaeとE.ananasに見られる性能低下については、融解・凝固の繰り返しによるものではなく、時間経過に対する微生物の代謝の影響が強いと言える。生菌を使用していることから、測定中にも増殖、死滅を繰り返し、また完全な密閉系となっていないことから外部からの微生物の侵入により、試料溶液が汚染された結果であると考えられる。試料溶液のｐＨが測定開始時の６．２から５００回では８．１までアルカリ性に推移していることからも、微生物の代謝により試料溶液の汚濁が進んでいることがわかる。
【００２３】
解放系がもたらす試料の汚濁については、微生物を添加していない水の凍結開始温度の推移からも推測できる。図５に示す水の凍結開始温度のグラフで、矢印（表中左上側）で示したポイントで水にオートクレーブ滅菌を施した。滅菌後に水が不凍化し、その後凍結開始温度の大幅な低下が見られることから、測定中に混入する微生物が過冷却解除を促進していると考えられる。
【００２４】
実際の使用に際しては、試料溶液は蓄熱カプセル内に完全に密封されていることから内部溶液の品質は保持され、性能の劣化は進まないと考えられるが、取り扱いの容易さと活性持続に対する信頼性を向上させるためにも、滅菌処理を施した死菌を利用することが望ましいと言える。
【００２５】
こうした菌数が過冷却解除能に与える影響を評価するため、繰り返し試験開始時の生菌数を106、108、1011Cells/mlとしたとした時の凍結開始温度の推移を調べた。この結果を図６に示す。生菌数の変化に呼応して、連続試験の初期には氷核活性能にばらつきが見られるが、試験回数が増すにつれて、一定の値に落ち着く結果が得られた。これより、初期濃度で106〜1011Cells/ml程度の菌数の違いは、繰り返し使用に際し、過冷却解除能に顕著な違いを示さないことがわかった。
【００２６】
２．微生物の加工処理
前章（１．微生物の性能）の検討から、低温微生物を過冷却解除剤として長期使用する場合、微生物の代謝による蓄熱材の劣化が懸念される。また、ハンドリングの容易さを考えた場合にも微生物は殺菌処理を施した死菌であることが望ましいと考えられるので、ここでは微生物の殺菌処理について検討した。
【００２７】
（殺菌方法）
食品関係や医療分野において殺菌は非常に重要な役割を果たすことから、殺菌の定義についても微生物の死滅の度合いに応じた使い分けがなされている。一般的には加熱殺菌法と冷熱殺菌法とに大別され、表２のような種類がある。
【表２】
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厚生省の定める食品衛生法にも詳細にわたる殺菌の基準が設けられているが、ここではカプセル蓄熱材への適用を前提に、コスト面も考慮し、対象とする菌の増殖を９９％以上抑える程度の汎用的な殺菌方法について検討した。
【００２８】
（殺菌処理が活性に及ぼす影響）
過冷却解除能力を維持した死菌を得るため、いくつかの殺菌法について、殺菌作用と過冷却解除能の有無について調べた。いずれもE.ananasの生菌を対象とし、煮沸、化学薬品処理、超音波破砕、加圧処理、紫外線照射の５の殺菌方法について検討した。処理条件等については下記の通りである。
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【００２９】
以上の殺菌処理を施した試料について、１００回の融解・凝固の繰り返し試験による過冷却解除能力を調べた。尚、殺菌処理を施した試料について菌数カウントを行った結果、超音波処理及び塩化ベンザルコニウム０．１％添加の試料では殺菌後も増殖が認められ、殺菌効果のないことが確認されたので、過冷却解除実験からは除外した。
【００３０】
殺菌効果の認められた４つの試料について、過冷却解除繰り返し試験の結果を図７に示す。いずれも殺菌処理を施した後も過冷却解除能力が持続することが認められるが、紫外線照射を施した試料で、過冷却解除能力が非常に高く、またその効果も安定していることがわかった。今回、汎用的な滅菌ランプとして波長が２６０ｎｍ付近の紫外線を照射したが、一般に、核酸の最大吸収帯が２６０ｎｍ前後であることから、照射を受けた微生物は核酸に損傷を受けるため死滅するとされている。なお、紫外線の波長は特に限定されることはなく、氷核活性能を維持しつつ効果的に核酸に損傷を与えうる全ての波長の紫外線が含まれるが、この中でも好ましいのは２４５〜２７０ｎｍの紫外線、最も好ましいのは２６０ｎｍ付近の紫外線である。氷核活性細菌の活性発現部位は細胞膜あるいは細胞壁の構造にあると考えられていることから、細胞膜あるいは細胞壁の構造を維持しつつ、細菌の増殖を止める手法として紫外線照射は非常に有効な殺菌法であると言える。
【００３１】
一般に、殺菌効果が最も強いのは加熱であるとされるが、氷核活性細菌では加熱による活性の失活が著しいことがわかった。塩化ベンザルコニウムについても同様に失活することが認められるため、薬品処理を行う場合には、活性を維持し得る、つまり細胞膜あるいは細胞壁を損傷しない薬品を選別する必要がある。
【００３２】
加圧処理については時間経過に対する性能の変化が顕著に現れた。今回のフレンチプレスによる処理では１０ＭＰａ程度の加圧であるが、通常、食品加工分野における加圧殺菌では１００ＭＰａ以上の静水圧をかける。X.campestrisについて５００ＭＰａの加圧処理を施した試料が市販されているので、これについて過冷却解除試験を行った結果を図８に示す。尚、長期的な傾向を追うため、先の検討（図７）より測定を追加した結果も併せて記す。いずれの圧力においても、一時的に高い解除能力を示すが、その後性能は低下し、程度の違いはあるが似たような傾向が見られた。３００ＭＰａで３分間処理したX.campestrisについて、高圧処理によって細胞膜の一部が破られ、細胞内の構成成分が菌体外に漏出し、細胞内が空洞化している様子がＴＥＭにより観察されている。過冷却解除は低温微生物の細胞膜（あるいは細胞壁）部分の構造が寄与していることから、細胞膜の破砕は性能の劣化をもたらすことは容易に想像されるが、こうした圧力処理による活性の経時変化についてはさらに検討する必要がある。
【００３３】
紫外線照射試料に見られる高い過冷却解除能力の持続性と、微生物の採取時期による性能の違いについて調べるため、紫外線殺菌後の過冷却解除能の持続性を比較した。図９および図１０に示すように、sampleＡ〜Ｃについては、対数増殖期、直線期、及び定常期にそれぞれ対応している。培養温度は１５℃とし、その後の処理についても低温を維持した。繰り返し試験の結果、生菌による比較では過冷却解除能力は培養時間が長いほど高くなる傾向が見られたが（図６）、紫外線殺菌試料では図９に示すように対数増殖期（sampleＡ）＞直線期（sampleＢ）＞定常期（sampleＣ）と、逆の結果が得られた。対数増殖期に採取した微生物を紫外線殺菌した試料（sampleＡ）は、−１℃以上の高い過冷却解除能力を示し、かつ３ヶ月程度の連続試験においても初期の性能を維持することが実験的に確かめられた。
【００３４】
（乾燥粉体の調製）
ハンドリングの容易さを考慮し、実用に資する微生物の状態としては乾燥粉体であることが望ましいと考えられる。そこでこれまでの検討を基に、最も活性の高かった殺菌済み試料について、乾燥粉体試料の調製を試みた。氷核活性細菌は加熱により失活することが確かめられたので、ここでは凍結乾燥法について検討した。一連の操作を図１１に示す。
【００３５】
凍結乾燥により、白色綿状のE.ananas粉体を調製した。これを８ｍｌの滅菌水に添加し、前章と同様に過冷却解除実験を行った。
【００３６】
結果を図１２に示す。比較のため、E.ananasの生菌試料及び紫外線照射した試料についても併せて記した。図から分かる通り、乾燥粉体試料は高い過冷却解除能力を示すとともに、その効果が長期にわたり持続することがわかった。生菌試料については、１００回程度の繰り返し試験では高い性能を維持するものの、１５０〜２００回、時間にして２ヶ月程度で性能の低下が見られていたが、紫外線殺菌及びその乾燥粉体では２ヶ月以上経過しても性能が劣化しないことがわかった。こうした性能についてはさらに連続試験を続行し、傾向を追跡する必要があるが、これまでのところ、生菌に比べ劣化を大幅に遅らせる効果のあることが明らかになった。
【００３７】
なお、上述の実施例は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば上述の説明では氷核活性細菌の殺菌に好適な紫外線を照射する場合を示したが、これは放射線照射の好適例であって、紫外線と同等に、あるいは同等とまでいかなくても氷核活性細菌を効果的に死滅させることができるものであれば、γ線や電子線その他の放射線等を紫外線と同様に適用することができる。また、超音波を用いれば、キャビテーションを発生させ細胞を破壊するなどして細菌の増殖能力を消失させ得る。超音波を用いる場合は、昇温を防ぐため冷やしながら操作する。さらに、殺菌処理をより完全なものとするには、これらの手段によって氷核活性細菌を殺菌処理した後さらに凍結乾燥することが好ましい。
【００３８】
また、上述の実施形態では氷核活性細菌を利用した蓄熱カプセルについて説明したが、氷核活性能を備えた氷核活性細菌は製氷や造雪の際の氷核活性物質として用いても好適で、これにより製氷時等における過冷却防止ニーズに広く応えることが可能となる。
【００３９】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、請求項１記載の蓄熱カプセルによると、氷核活性細菌として死滅させたものを利用するようにしたことから、細胞膜あるいは細胞壁の構造を損なわない限り氷核活性能をそのまま維持できることに加え、蓄熱カプセルの高い氷核活性能を長期にわたって安定に維持することが可能となる。
【００４０】
また、請求項１記載の発明によると、紫外線照射によって細胞膜あるいは細胞壁の構造を維持しつつ核酸を損傷させることにより、氷核活性能は保ちながら微生物を完全に死滅させることが可能となる。しかも、好ましい波長帯域である２４５〜２７０ｎｍの紫外線を照射することとしているために、氷核活性能を維持しつつ効果的に核酸に損傷を与えうる。
【００４１】
請求項２記載の発明によると、特にＤＮＡがよく光を吸収する２６０ｎｍ付近の波長の紫外線を照射することにより、氷核活性能を維持しながら核酸を死滅させることができて効果的である。
【００４５】
請求項３記載の発明によると、２６０ｎｍ付近の波長の紫外線を２０分照射することにより、氷核活性能を維持しながら核酸を死滅させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した蓄熱カプセルの構成例を示す概略図である。
【図２】本発明の蓄熱カプセルを用いた蓄熱システムの一例を示す図である。
【図３】微生物を昇降温させるときの温度プロファイルの一例を示すグラフである。
【図４】微生物を添加した水の冷却曲線を示すグラフである。
【図５】生菌による融解・凝固繰り返し試験の結果を示すグラフである。
【図６】融解・凝固繰り返し試験における濃度影響を示すグラフである。
【図７】融解・凝固繰り返し試験の結果を示すグラフである。
【図８】圧力の違いによる過冷却解除能力の変化を示すグラフである。
【図９】紫外線殺菌試料の性能比較を示すグラフである。
【図１０】培養過程におけるE.ananasの菌数変化を示すグラフである。
【図１１】乾燥粉体試料を調整する場合の一連の動作例を示すフローである。
【図１２】加工処理を施した微生物の過冷却解除能力の比較を示すグラフである。
【符号の説明】
１  蓄熱カプセル
２  水
３  氷核活性細菌
【図１】
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【図２】
0003771138.tif 000006
【図３】
0003771138.tif 000007
【図４】
0003771138.tif 000008
【図５】
0003771138.tif 000009
【図６】
0003771138.tif 000010
【図７】
0003771138.tif 000011
【図８】
0003771138.tif 000012
【図９】
0003771138.tif 000013
【図１０】
0003771138.tif 000014
【図１１】
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【図１２】
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