マイクロ波プラズマを用いた 滅菌方法および装置の開発 琉球大学 工学部 教授 米須章 概要 従来の滅菌法では、薬品や熱により菌を死滅させ る方法が利用されてきた。これに対し、プラズマを用 いた全く新しい滅菌法であるプラズマ滅菌法は、従 来の方法に比較して安全性が高く、短時間で滅菌 処理ができる。 本研究室では、プラズマ滅菌用のプラズマ源とし てマイクロ波放電を利用した二種類の装置を開発し た。この装置を用いたプラズマ滅菌法を提案する。 従来の滅菌法 物理的方法 ・高圧蒸気滅菌 ・放射線滅菌 ・紫外線滅菌 化学的方法 ・過酢酸・過酸化水素滅菌 ・酸化エチレンガス滅菌 ・オゾン滅菌 従来技術とその問題点 物理的滅菌法の代表である高圧蒸気滅菌は比 較的短時間で滅菌を行うことが出来るが、非耐 熱性・非耐湿性の対象物の滅菌が困難である。 化学的滅菌法である過酢酸、過酸化水素、酸化 エチレンガスを用いた滅菌は、低温で処理できる が、人体への影響が問題視されている。 従来の技術に替わる新しい滅菌法 プラズマ滅菌法 プラズマとは 気体 プラズマ 放電 原子 イオン 電子 プラズマ中では、電子等が非常に 高いエネルギー(数万度)を持ち、 また、化学反応性に富んでいる。 プラズマ滅菌法の原理 プラズマ中に存在する高エ ネルギー電子が原子や分 子に衝突することにより、反 応性の高いラジカルを作り 出す。ラジカルは細菌と化 学反応することにより、菌を 死滅させる。 プラズマ 電子 酸素分子 解離 電子 イオン 帯電 酸素原子 紫外線 細菌 CO2 CO 酸化反応 高エネルギー電子により励 起された原子から放出され る紫外線が細菌のＤＮＡに ダメージを与える。 また、電子やイオン等の荷 電粒子が細菌へ直接衝突し、 菌を死滅させる。 プラズマ滅菌法の特徴 プラズマ滅菌法は、他の滅菌法に比較して 以下のような優れた特長を持つ。 ・酸素ラジカルは残留性がなく、安全性が高い。 ・ガス温度が低く、低温で滅菌処理できる。 ・ドライプロセス。 ・短時間での滅菌処理が可能 マイクロ波プラズマ マイクロ波放電では、電極を用いず（無電極放電）、電子 温度が高く、ガス温度の低い、非平衡プラズマを生成す ることができる。本研究室では、大気圧力下および高真 空下でマイクロ波プラズマを生成する以下の二種類の 装置を開発した。 大気圧非平衡プラズマ生成装置 ECRプラズマ生成装置 大気圧非平衡プラズマ プラズマ中の電子の温度とガス温度(原子・分子の温度) が異なる場合、そのプラズマを非平衡プラズマと呼ぶ。通常、 非平衡プラズマでは、 ガス温度 ≪ 電子温度 となっている。大気圧下で生成された非平衡プラズマを大気 圧非平衡プラズマと呼ぶ。 大気圧非平衡プラズマを用いたプロセスのメリット ・大気圧のため多量のラジカルを生成できる。 ・ガス温度が低いため処理対象物に熱的ダメージを与えない。 ・排気装置が不要なため装置が簡単でコストもかからない。 大気圧非平衡プラズマ生成装置 プラズマ 吹き出 し口 マイクロ波 ステンレス 容器 プラズマ アンテナ ガス アンテナ 滅菌処 理部 プラズマ 生成部 石英管 大気圧マイクロ波プラズマ 発光の様子 電子温度に比較し、ガス温度の低い非平衡プラズマが生成できる。 酸素ラジカルの発光分光による解析 15 強度 発光強度比(O/Ar) O Ar Ar 波長 発光スペクトル 発光スペクトルからプラズマ滅菌に おいて最も重要な働きをする酸素ラ ジカル（酸素原子）の存在が確認さ れた。 10 5 0 5 10 15 酸素混合比 [%] 酸素ラジカルの混合比依存性 放電ガスとしてアルゴン・酸素混合ガ スを用いており、酸素ガスの混合比 が高くなるとプラズマ中の酸素ラジカ ルの存在比も上昇する。 プラズマ滅菌試験 マイクロ波 Ar+O2 培養 バイオロジカルインジケータ ・Geobacillus stearothermophilus ・105 個 指標菌を塗布した試験紙 滅菌成功 滅菌失敗 プラズマ処理後のインジケータを培養 液で培養し、その色で滅菌の成否を 判定。 D値による滅菌能力の評価 結果 240 250 約105個の菌を25秒で死滅 D値 [秒] 200 200 150 60 105 50 5 ・ D値 ・ 0 処理時間 菌の生き残り株数が初期数の10 分の1になる時間をD値と呼ぶ。 本手法 103 （誘電体バリア放電） プラズマ滅菌法 0 （高周波放電） プラズマ滅菌法 104 オートクレーブ法 生存数 100 大気圧非平衡プラズマを用いた 滅菌法の想定される用途 • 食品容器等の滅菌 例 プラスチック容器、ガラス容器 • 食品の滅菌 例 粉末状の食品等 z 医療用器具などの滅菌 大気圧非平衡プラズマを用いた 滅菌法の実用化に向けた課題 • 耐熱温度の低い対象物の滅菌に向け、ガス温 度の低温化（60℃以下） • 酸素ラジカル発生効率をあげ、滅菌処理時間の 更なる短縮 • 大気圧下でのプラズマ着火 • 連続運転 ＥＣＲプラズマ マイクロ波の周波数と磁場の強 度がある条件（電子サイクロトロ ン共鳴条件）を満たしたとき、マ イクロ波のｴﾈﾙｷﾞｰがプラズマ中 の電子へ共鳴的に吸収される。 このようにして生成・維持される プラズマをＥＣＲプラズマと呼ぶ。 マイクロ波 磁場 共鳴領域 プラズマ ＥＣＲプラズマは以下のような特徴を持つ。 ・磁場の空間分布によりプラズマ生成領域を制御できる。 ・電子温度が高く、高活性。 チューブ内での放電の様子 マイクロ波 シリコン チューブ ガス 永久磁石 永久磁石の周りにシリコンチューブ（内 径5mm）を巻きつけ、マイクロ波を照 射する。この時、チューブ内にプラズマ 生成領域（共鳴領域）が来るよう磁場 を調整。 Nd Magnet 上面から発光の様子を観測 内径5mmのチューブ内に プラズマが生成されている ことが分かる。無電極放電。 チューブ内での放電の様子 軸方向から観測 シリコン チューブ マイクロ波 ガス 磁石ホルダー SN NS 円筒型永久磁石 側面から観測 円筒状の磁石ホ ルダーの周りにシ リコンチューブを 巻きつけ、シリコン チューブ内に共鳴 領域が来るように 磁場を調整し、マ イクロ波を照射す るとチューブ内に プラズマが発生。 長さ約100ｃｍの 範囲でプラズマ生 成可能。 プラズマ滅菌実験 内径5mmのシリコンチューブ 内にバイオロジカルインジ ケータ（指標菌が付着した試 験紙）を設置し、更にチューブ 内部にECRプラズマを発生さ せ、滅菌試験を行った。 なお、プラズマの発生方法は、 プラズマによるチューブへの ダメージを考慮して、プラズマ を1秒間発生させた後、休止 し、その後また1秒間発生さ せる工程を繰り返した。 シリコンチューブ 磁石 バイオロジカルインジケータ ・Geobacillus stearothermophilus ・105 個 プラズマ滅菌実験 結果 プラズマ処理時間 [秒] 3 4 5 10 ×× ○××○ ○○○○ ○○○○ ○:滅菌成功 ×：滅菌失敗 プラズマ処理時間5秒（休止の時間は含めない）という非常に 短い時間で105個の菌を完全に滅菌することができた。 処理後のシリコンチューブにはダメージは見られなかった。 ＥＣＲプラズマを用いた滅菌法の 想定される用途 • 医療用器具の滅菌 特にカテーテル等のチューブ形状の 内部の滅菌 • 食品･飲料容器の滅菌 電極を設置できない容器内のプラズ マ滅菌 ＥＣＲプラズマを用いた滅菌法の 実用化に向けた課題 • • • • 放電の安定性および滅菌の再現性の向上 処理時間の更なる短縮 滅菌パウチ内での滅菌 滅菌対象物に合わせた磁場分布・マイクロ波照 射法の最適化 本技術に関する知的財産権 • 発明の名称：プラズマ発生装置及びそれを用いた プラズマ生成法 • 出願番号 ：特願2006-61673 PCT/JP2007/052893 • 出願人 ：琉球大学 • 発明者 ：米須章 • 発明の名称：プラズマ生成装置及び方法 • 出願番号 ：特願2008-094330 PCT/JP2009/056758 • 出願人 ：琉球大学、佐賀大学 • 発明者 ：米須章, 林信哉 お問い合わせ先 琉球大学 産学官連携推進機構 文部科学省 産学官連携コーディネーター 宮里 大八（Miyazato Daiya） 電話：０９８－８９５－８５９９ FAX： ０９８－８９５－８９５７ E-mail：[email protected]
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