살균방법 및 살균장치{STERILIZATION METHOD AND STERILIZATION DEVICE}

본 발명은 미생물을 살멸 또는 불활성화하기 위한 살균방법 및 살균장치에 관한 것이다.

종래, 이온이나 오존 등의 활성입자를 이용하여 식품·조리용품 등의 음식에 관련되는 물체나 공중위생상 미생물이 문제가 되는 물체의 표면, 또 이들 물체를수납하는 공간에 존재하는 미생물의 번식을 방지하는 방법이 알려져 있다.

예를 들면 일본 특허공개 평9-108313호 공보에는, 공기 등의 기체를 전리실에 안내하여 이온 및 오존을 발생시킬 때의 방전전류를 제어하여, 소정의 저농도의 오존과 고농도의 이온을 함유하는 이온화 기체를 발생시켜, 상기 전리실 혹은 그것에 연통하는 공간 내에서, 혹은 발생한 이온화 기체를 물체에 분사함으로써, 오존과 이온의 상승효과로 미생물의 번식을 방지하는 미생물 번식방지방법 및 장치가 개시되어 있다.

그러나, 지금까지의 미생물 번식방지방법이나 장치는, 상기한 바와 같이 물체의 표면이나 수납공간에 존재하는 미생물을 처리대상으로 하는 것이기 때문에, 기체가 매우 빠른 속도로 통류하는 기기에 적용하여도 효과가 적고, 미생물은 손상되지 않고 통과하여 버리는 일이 많았다. 그 때문에, 빠른 속도로 통류되는 기체 또한 액체중의 미생물도 확실하게 살멸(殺滅) 또는 불활성화하는 것이 과제로 되었다.

도 1은 본 발명의 일실시예의 살균장치의 개략구성을 나타내는 단면도,

도 2는 도 1의 살균장치를 다른 방향에서 나타낸 단면도,

도 3은 도 1의 살균장치에서 인가되는 제1예의 고전압 파형도,

도 4는 도 1의 살균장치에서 인가되는 제2예의 고전압 파형도,

도 5는 도 1의 살균장치에서 인가되는 제3예의 고전압 파형도,

도 6은 도 1의 살균장치에서 인가되는 제4예의 고전압 파형도,

도 7은 도 1의 살균장치에서 인가되는 제5예의 고전압 파형도,

도 8은 본 발명의 살균장치의 살균효과를 시험할 때에 사용한 고전압의 파형도이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 살균방법은 방전전극과 대향전극 사이에 펄스파형의 고전압을 인가하여 양 전극의 근방에서 스트리머 방전을 발생시켜서, 방전영역에 존재하는 미생물을 살멸 또는 불활성화하는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명의 살균장치는, 방전전극 및 대향전극과, 이들 전극간에 스트리머 방전을 발생시키는 펄스파형의 고전압을 인가하는 고전압 인가수단을 구비한 것을특징으로 한다.

이러한 살균방법 및 살균장치에 의하면, 스트리머 방전영역에서 고속으로 비산하는 전자나 이온이나 라디칼 등의 비산입자, 전위차 등에 의해서, 미생물을 살멸 또는 불활성화할 수 있다.

바람직하게는 고전압 인가수단은, 방전전극과 대향전극의 근방에 형성되는 방전영역을 소정속도로 통과하는 기체나 액체의 통과시간 내에 적어도 1회, 스트리머 방전을 발생시키는 주파수로 제어된다. 이것에 의해, 기체나 액체중에 함유되는 모든 미생물은, 방전전극과 대향전극 근방을 통과하는 동안에 적어도 1회, 스트리머 방전에 조우(遭遇)하게 되어, 확실하게 살멸 또는 불활성화된다.

또 바람직하게는 고전압 인가수단은, 극소 펄스폭의 고전압을 인가하도록 구성한다. 보다 바람직하게는 1μsec이하의 극소 펄스폭의 고전압을 인가하도록 구성한다. 이것에 의해, 순식간에 전압을 상승시킬 수 있고, 보다 다량의 전자를 고속비산시키는 것, 또 전압인가시간을 단축하여 인체에 유해한 오존의 발생을 저감하는 것이 가능하게 된다.

또 바람직하게는 고전압 인가수단은, 부(負)의 펄스파형의 고전압을 인가하도록 구성한다. 이것에 의해, 마이너스이온을 생성할 수 있고, 마이너스이온을 함유한 깨끗한 공기를 공급하는 것이 가능하게 된다.

이하, 본 발명의 실시예를 도면에 기초하여 구체적으로 설명한다. 여기서는 공기 등의 기체에 대하여 설명하지만, 물 등의 액체도 마찬가지로 처리할 수 있다.

도 1 및 도 2에 있어서, 살균유닛(1)은 공기 등의 기체의 유로 내에 배치되는 것이고, 케이싱(2)의 내부에 와이어형상의 방전전극(3)이 복수단으로 배치되며, 각 단의 방전전극(3) 사이에 평판형상의 대향전극(4)이 서로 병렬로 배치되어 있고, 각 방전전극(3)과 대향전극(4) 사이에 형성되는 방전영역(5)이 서로 연속하여, 케이싱(2)에 개구된 유입구, 유출구(도시하지 않음)에 의해 형성되는 기류의 통과영역(6)보다 큰 영역을 차지하고 있다. 7은 기류 통과영역(6)에 유입되는 상류기류, 8은 기류 통과영역(6)에서 유출되는 하류기류를 나타낸다. 또한, 방전전극(3)은 예를 들면 금속침형상 등, 방전을 야기하는 전극이면 아무런 한정없이 사용할 수 있다.

고전압 인가장치(9)는, 방전전극(3)에 접속하는 플러스전극(10)과, 대향전극(4)에 접속하는 마이너스전극(11)(또는 어스(11))을 갖고, 방전전극(3)과 대향전극(4) 사이에 스트리머 방전을 발생시킬 수 있는 펄스파형의 고전압을 인가하도록 구성되어 있다. 이 고전압 인가장치(9)로서는, 예를 들면 배전압회로에 IGBT(Inslated Gate Bipolar Transistor) 등의 스위칭수단을 배치하여, 소정의 펄스파형 또한 고주파수의 전압을 생성하고, 고압트랜스로 승압하도록 한 전장(電裝)회로 등이 사용된다. 그러나 소정 펄스파형, 주파수의 고전압을 인가할 수 있는 것이면, 이것에 한정되지 않고 사용가능하다.

이하, 상기 구성에 있어서의 작용을 설명한다.

고전압 인가장치(9)에 의해서 방전전극(3)과 대향전극(4) 사이에 소정 펄스파형의 고전압을 인가함으로써, 스트리머 방전(이하, 펄스스트리머 방전이라고 함)을 방전영역(5)에 발생시킨다.

펄스스트리머 방전의 발생기구는, 방전전극(3)으로부터 방출되는 전자의 전방에서 중성분자의 전리가 일어나서 전자가 사태(avalanche)와 같이 방출되고, 이 전자사태(electron avalanche)가 다음의 새로운 전자사태를 야기한다는 것과 같이, 전자사태가 차차 일어나서 합체되어 감으로써 고속으로 진행하는 것이며, 방전전류의 대부분은 전자에 의한 것이다.

그 때에는, 방전전극(3)과 대향전극(4) 사이에 있어서의 방전전극(3)의 부근에 현저한 전계집중이 있기 때문에, 인가되는 고전압이 충분한 크기이면 전자사태가 발생하여 다량의 이온과 광량자가 생산된다.

또 그 때에, 와이어형상의 방전전극(3)을 플러스전극으로 하고 있기 때문에, 방전전극(3)의 부근에서 다량의 광량자가 모든 방향으로 방출되며, 방출된 광량자가 그 부근의 중성분자에 흡수되어 전리를 발생시켜 가서, 방전전극(3)을 향하는 방향의 전자사태가 다수로 발생하고, 그것과 동시에 생산되는 양이온 중에서 플라즈마기둥을 형성한다.

이 플라즈마기둥의 앞가장자리에는 대향전극(4)(즉 마이너스전극 혹은 어스에 접속한 전극)을 향하는 양이온이 고밀도로 집중되고, 그것에 의한 전계집중 외에, 이들 양이온의 공간전하와 전자사태군의 공간전하 사이에 특히 강력한 전계가 형성되기 때문에, 플라즈마기둥의 앞가장자리의 발광은 더욱 촉진된다.

이러한 펄스스트리머 방전이 방전영역(5)에서 일어나기 때문에, 방전영역(5)에 유입되는 상류전류(7)에 미생물이 포함되어 있으면, 방전영역(5)에서 고속으로 비산하고 있는 다량의 전자 등의 비산입자, 즉 방전전극(3)으로부터 방출된 전자;기체분자(중성분자), 그것에 유래하는 전자, 양이온, 라디칼 등이나, 전위차 등에 의해서, 미생물의 외벽 등의 단백질 등이 파괴되거나, DNA나 RNA가 손상되게 되어 미생물은 살멸 또는 불활성화된다.

인가해야 할 고전압은, 펄스스트리머 방전을 발생시킬 수 있는 고전압이고, 방전전극(3)과 대향전극(4)의 간극의 크기에 따라서도 다르지만, 예를 들면 방전전극(3)과 대향전극(4)의 간극이 약 10㎜일 때에는 약 7㎸이상, 간극이 약 8㎜일 때에는 약 6㎸이상의 펄스파형의 고전압이 필요하다. 이것은 에어컨 등에서 집진을 목적으로 하여 일반적으로 인가되고 있는 펄스파형의 전압보다 높은 전압값이다.

미생물을 확실하게 살멸 또는 불활성화하기 위해서는, 방전영역(5)을 통과하는 기류의 속도와 고전압의 펄스주파수의 관계가 중요하다. 기류중의 미생물(환언하면 기류중의 임의의 1점)이 방전영역(5)을 통과하는 동안에 적어도 1회, 펄스스트리머 방전을 발생시킬 수 있는 고주파수가 필요하다.

예를 들면 에어컨의 경우, 실내기를 통과하는 기류의 속도는 1m/s이므로, 기류의 통과방향에 있어서의 방전영역(5)의 폭이 약 10㎜일 때에는, 기류중의 미생물은 약 10msec로 방전영역(5)을 통과한다. 따라서, 고전압을 약 100㎐로 인가함으로써 방전영역(5)을 통과하여 가는 미생물을 1회, 펄스스트리머 방전에 조우시킬 수 있다.

방전영역(5)을 통과하는 미생물을 확실하게 살멸 또는 불활성화하기 위해서는, 상기한 주파수, 약 100㎐의 수배~수십배 정도, 즉 수백~수천㎐라는 고주파수의 고전압을 인가하면 된다. 역으로 말하면, 이러한 고주파수의 고전압을 인가함으로써, 기류가 매우 빠른 속도로 방전영역(5)을 통과하는 경우도, 기류중의 미생물을 확실하게 살멸 또는 불활성화할 수 있는 것이다. 기류중의 미생물이 아니라 물체의 표면이나 수납공간에 존재하는 미생물을 처리대상으로 하는 경우에는, 이러한 고주파수는 필수가 아니다.

또한, 펄스폭을 극소 펄스폭으로 함으로써 전압을 순식간에 상승시키는 것이 가능하게 되고, 그것에 의해 방전영역(5)에서 보다 다량의 전자를 고속비산시키는 것, 또 전압인가시간을 단축하여 인체에 유해한 오존의 발생을 저감하는 것이 가능하게 된다. 가능한 한 작은 펄스폭이 바람직하지만, 수μsec이하, 특히 1μsec이하로 함으로써 높은 살균효과가 얻어진다.

또 부의 펄스파형의 고전압을 인가함으로써, 방전영역(5)에서 마이너스이온을 생성할 수 있고, 하류전류(8)로서 마이너스이온을 함유한 깨끗한 공기를 공급하여 편하게 할 수 있는 분위기를 제공하는 것이 가능하게 된다.

사용가능한 고전압의 파형을 도 3 내지 도 7에 나타낸다.

도 3은 정현파나 진동파형인 펄스파형의 (제1예)를 나타낸다. 이 (제1예)에서는 제1펄스와, 그것보다 피크전압이 낮은 제2펄스와, 그것보다 더욱 피크전압이 낮은 제3펄스가 반복되어 있다.

도 4는 펄스파형의 (제2예)를 나타낸다. 이 (제2예)는 정(正)의 펄스파형만으로써 부의 성분을 갖고 있지 않다. 펄스폭 전압값에 대해서는 (제1예)와 동일하다.

도 5는 펄스파형의 (제3예)를 나타낸다. 이 (제3예)는 부의 펄스파형만으로써 정의 성분을 갖고 있지 않다. 펄스폭 전압값에 대해서는 (제1예)와 동일하다.

도 6은 펄스파형의 (제4예)를 나타낸다. 이 (제4예)는 극소 펄스폭의 단일의 정의 펄스파형만이 반복되고, 부의 성분을 갖고 있지 않다.

도 7은 펄스파형의 (제5예)를 나타낸다. 이 (제5예)는 극소 펄스폭의 단일의 부의 펄스파형만이 반복되고, 정의 성분을 갖고 있지 않다.

이들 (제1예)~(제5예)에서는, 전압파형의 상승이 기준의 어스전위로부터 차츰 멀어져서 정 또는 부의 피크에 가까워지고, 하강이 정 또는 부의 피크로부터 기준의 어스전위에 차츰 가까워지는 형상의 펄스파형이었지만, (제1예)~(제5예)와 비교하면 전압파형의 상승이 기준의 어스전위에서 보다 신속하게 정 또는 부의 피크에 가까워지고, 하강이 정 또는 부의 피크에서 기준의 어스전위에 의해 신속하게 가까워지는 직사각형상의 펄스파형이었던 경우도 마찬가지의 효과를 기대할 수 있다.

(평가)

본 발명의 살균장치에 의한 살균효과를 이하의 고전압 펄스조건을 사용하여 고정폭로시험과 원패스시험에 의해 평가하였다. 각 시험 모두 공백은 처리전과 처리후에서 거의 변화가 없고, 생존율이 100%인 것이 확인되었다.

(고전압 펄스조건)

A) 전압; 5㎸, 주파수; 2㎑(pps), 펄스폭; 1μsec

B) 전압; 8㎸, 주파수; 2㎑(pps), 펄스폭; 1μsec

C) 전압; 8㎸, 주파수; 2㎑(pps), 펄스폭; 20μsec

조건 A, B, C의 파형은 각각 도 8의 (a), (b), (c)부분에 나타내는 바와 같고, 도 3과 동일한 펄스파형이다.

(고정폭로시험)

도 1, 도 2에 나타낸 것과 동일한 살균유닛(두께 40㎜)을 용기(180×80×40㎜) 내에 설치하고, 이 살균유닛의 방전전극과 대향전극의 간극(10㎜)에 순차로 미생물 샘플을 세트하고, 상기한 각 고전압 펄스조건의 고전압에 30초간 폭로시켰다. 각 미생물 샘플은 시판의 바실러스균 현탁액을 아크릴제 샘플칩(8×8)으로 등량씩 채취하여 자연건조시킨 것이다. 고전압 펄스처리후의 각 미생물 샘플의 바실러스균을 Tween80중에 회수하고, 등량씩 한천배지에서 배양하여(37℃, 24h) 콜로니수를 카운트하였다. 고전압 펄스조건 A~C의 처리후의 미생물 샘플로부터 얻어진 계수값을 공백으로부터 얻어진 계수값으로 나누어서 생존율(%)로 하였다. 결과를 표 1에 나타낸다.

(원패스 시험)

도 1, 도 2에 나타낸 것과 동일한 살균유닛(두께 40㎜)을 팬을 구비한 용기(180×80×600㎜) 내의 유로도중에 설치하고, 용기 내에 공기를 약 1m/s로 통류시키면서 그 흡입구의 근방에서 시험미생물로서의 검은곰팡이를 브러시로 비산시켜서 공기중에 함유시키고, 상기한 각 고전압 펄스조건의 고전압을 인가하여 살균유닛의 상류측(처리전) 및 하류측(처리후)의 공기를 각각 에어샘플러에 취입하여 에어샘플러 내에 설치하여 둔 한천배지에 검은곰팡이를 채취하였다. 채취한 검은곰팡이를 그대로 한천배지에서 배양하여(25℃, 168h) 콜로니수를 카운트하였다. 처리전의 샘플로부터 얻어진 값을 처리후의 샘플로부터 얻어진 값으로 나누어서 생존율(%)로 하였다. 결과를 표 2에 나타낸다. 고정폭로시험에서 효과가 없었던 A)의 조건에서는 시험은 실시하고 있지 않다.

표 1 및 표 2에서 출력전압 5㎸에서는 살균효과를 얻을 수 없었던 것에 대하여, 출력전압 8㎸에서 큰 살균효과가 얻어진 것, 출력전압이 일정(8㎸)한 경우는 펄스폭이 작은 쪽이 살균효과가 큰 것을 알 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 방전전극과 대향전극 사이에 펄스파형의 고전압을 인가하여 양 전극의 근방의 기체중에서 펄스스트리머 방전을 발생시킴으로써, 상기 기체중에 포함되는 미생물을 살멸, 불활성화할 수 있다.