JP2013537433A - プラズマ生成ガス滅菌法 - Google Patents

Abstract

好ましくはプロセスガスとしての空気から生成されるプラズマガスを利用し、このプラズマガスを水によって加湿することにより、好ましくは熱不安定性の物品を迅速に除染及び滅菌する方法及び装置を提供する。本方法は、プロセスガスである空気から、活性窒素種と活性酸素種とを形成するプラズマの生成、４００℃より低い温度におけるＮＯからＮＯ_２への酸化、それによって、ＮＯ_２濃度が少なくとも０．３％のプラズマ励起による混合ガスの形成、このプラズマ励起による混合ガスと、１つ以上の物理的状態にある水との接触、前述の混合ガスと、除染または滅菌する対象物との接触の工程を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、好ましくはプロセスガスとしての空気から生成されるプラズマガスを利用し、そのプラズマガスを次に水によって加湿することにより、好ましくは熱不安定性の物品を迅速に除染及び滅菌するための方法及び装置に関する。

周知の滅菌法は、湿気のある熱を使用するオートクレーブ滅菌、電離放射線による滅菌、エチレンオキシド（ＥＴＯ）によるガス滅菌、プラズマ滅菌及び過酸化水素滅菌がある。

オートクレーブ滅菌は非常に良好な滅菌効果をもつが、熱不安定性の物品には使用できない。

エチレンオキシド（ＥＴＯ）は毒性の強いガスであり、熱不安性材料の滅菌に使用されるが、その欠点は滅菌する物品の燻蒸時間が比較的長いことであり、その燻蒸時間は実際の処理時間よりも数倍も長くなることがある。また、ＥＴＯの取扱いは、毒性があるために危険である。

過酸化水素滅菌の欠点は、第１に、過酸化水素が室温では液体であることが挙げられる。周知の方法は、過酸化水素の気化に基づいているが、気相を完全に抜き取るためには、滅菌する対象物の部分に結露が発生するのを防止しなければならない。より多量の液体が溜まってしまう場合、過酸化水素の除去は非常に困難となる。気化は、この場合、不均一であり、時間がかかる。

電離放射線による処理は、複雑な装置と安全面での高いコストが前提となる。他方で、電離放射線は、滅菌する対象物の素材を損傷するおそれがある。周知のプラズマ滅菌法には、これらの欠点がないか、もしくは僅かしかない。プラズマの滅菌効果は、特に、ＤＮＡを破壊する紫外線と真空紫外線との組合せによってバクテリア及び生体分子を破壊することに基づいている。熱に弱い製品を滅菌する場合、通常、負圧が上昇してから可能であることが欠点である。

しかし、従来から知られているプラズマ法は、例えば、高真空下であっても狭い隙間や内腔へのプラズマの透過力がそれほど優れていないために、複雑な構造を処理または除染及び滅菌するには適合性が限られていることが示されている。

滅菌ガス及び滅菌物質（例えば、エチレンオキシドや過酸化水素など）の取扱いにも問題があり、これらは、高濃度において部分的に爆発性が高い。これらの方法では、毒性の強い物質の残留物を処理するために長い処理段階も必要である。従って、これらの物質の保管及び取扱いは、ユーザーにとって困難であり、コストがかかる。

特許文献１には、滅菌ガスを生成する化合物（炭素系ジアゼニウムジオレート化合物や粉末酸）を使用する方法及び装置が説明されており、この化合物は、滅菌ガスとして、好ましくはＮＯまたはＮＯとＮＯ_２との混合物を生成する。

特許文献２では、滅菌ガスとしてＮＯ_２と湿気とを使用する、粉末用の滅菌法が説明されている。気体のＮＯ_２の発生源としては、液体のＮＯ_２が使用される。

これらの方法の短所は、ここでも化学物質を保管し、必要な作用ガス形成のために使用することである。必要な作用時間は、１時間以上である。

特許文献３では、非熱プラズマ滅菌法が開示されており、特にキャリアガスとしての空気及び様々な添加剤の使用を説明している。有効な種類としては、例えばＮＯ_ｘ及びＨ_２０_２が挙げられる。非熱性プラズマの使用により、基本的に抗菌作用のある種が生成され、それによってある程度は幾つかのログレベルの殺菌が可能となるが、殺菌作用のある種の生産量が少ないことから、最も重要な基準細菌及び胞子に対して殺菌効果を示すことができない。特に殺菌する物品の処理量が多い場合、確実かつ再現可能な滅菌をこの方法によって実現することは不可能である。

特許文献４に説明されているように、プラズマ生成ガスの滅菌効果が知られている。プラズマ生成ガスの効果は、主に、ＮＯ_ｘの生成と、それに関連する１時間以上の長い作用時間を伴うフリーラジカルの生成とに基づいている。

米国特許出願公開第２００８／０３１７６２６号Ａ１ 米国特許出願公開第２０１０／０１６６６０３号Ａ１ ＰＣＴ特許出願公開第２０１０／０２２８７１号 米国特許出願公開第２０１０／０２５４８５３号Ａ１

本発明は、従来技術における上記短所を解消する滅菌法及び装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決する本発明は、以下の特徴をもつ物品を滅菌するための迅速かつ安価な方法及び装置である。
ａ）好ましくは空気を使用することによって、十分な量の滅菌作用のある種が生成され、
ｂ）狭い隙間及び毛細管を備える複雑な構造の物品も効果的かつ保護的に処理が可能であり、
ｃ）物品及び材料の滅菌を数秒で行うことができる。

驚くべきことに特に本方法は、低価格の医療用大量生産品及び梱包材料を、安価に、しかも効率的に滅菌するのにも適していることが判明した。

本発明に基づく方法は、プロセスガスである空気のイオン化プロセスが実際の滅菌プロセスから空間的に分離されて行われることに基づいており、滅菌作用のある種が、イオン化段階と、それに続く再結合及び冷却段階とにおいて生成され、ここから形成されるプラズマ励起による混合ガスだけを利用するため、直接的なプラズマ処理は行われない。

対象物及び物品を除染及び滅菌するための本方法は、以下の工程によって特徴づけられる。
ａ）好ましくはプロセスガスである空気から、活性窒素種と活性酸素種とを形成するプラズマの生成、
ｂ）４００℃より低い温度でのＮＯからＮＯ_２への酸化、それによる、ＮＯ_２濃度が少なくとも０．３％のプラズマ励起による混合ガスの形成、
ｃ）前述のプラズマ励起による混合ガスと、１つ以上の物理的状態にある水との接触、
ｄ）工程ｃ）において生成された混合ガスと、除染または滅菌する対象物及び物品との接触

このために、好ましくはプロセスガスとしての乾燥空気が、好ましくは体積プラズマを形成するプラズマ源（例えば、マイクロ波プラズマなど）に通され、部分的にイオン化され、通常は大気圧下において、プラズマ生成の際には最低１,２００℃のガス温度をもつ高温のエアプラズマが生成される。プラズマ源の励起領域からプラズマが発生した後、このエアプラズマを規定に沿って冷却することにより、活性化したプラズマガスの形成が引き起こされる。元のガスである空気に対して、特定の反応時間後のプラズマガスには少なくとも０．３％のＮＯ_２が含まれている。

この冷却プロセスは、必要な元の種に応じて、数値的シミュレーションによる今日の従来技術に沿って規定される。適合する周知の冷却メカニズムにより、プラズマガスは、必要に応じて、しかし少なくとも４００℃より低い温度まで冷却され、通常０．３〜５％のＮＯ_２濃度をもつプラズマ励起による混合ガスが形成される。−４０〜４００℃の温度範囲において、プラズマ励起による混合ガスを１つ以上の物理的状態にある水で加湿することにより、水と混合ガス成分との部分的な反応が実現される。プラズマ励起による混合ガスと水との接触は、ミリ秒から数時間の範囲で設定することができる。水との反応によって形成されるこの混合ガス（滅菌混合ガス）も、プラズマ励起による混合ガスと水との反応から形成される溶液も、滅菌物質として使用することができる。プラズマ励起による混合ガスの水による加湿は、飽和状態まで行うことができる。

滅菌する物品は、次に、規定の作用時間内に水で加湿された混合ガスに暴露される。そのために、水で加湿された滅菌混合ガスが滅菌する物品に送られるか、または物品がプロセスチャンバ内にあり、この中に水で加湿された滅菌混合ガスが送り込まれる。ガス状の化合物がより冷たい基板表面にマイクロ凝縮を開始することにより、処理時間の大幅な縮小と作用時間の向上とを達成することができる。また、プラズマ源の出口にノズルを使用することによって、ノズルから噴き出した後のプラズマガスの急激な膨張を冷却に利用し、露点温度を下回ることによってマイクロ凝縮に利用することができる。滅菌する物品は、プラズマガスの冷却またはマイクロ凝縮に部分的または完全に利用することができる。

希望する除染の度合いに応じて、作用時間（滅菌混合ガス内での滅菌する物品の滞留時間）は、約２秒から６０分の範囲で適用ごとに調整することができる。

希望する水による加湿の調整は、例えば、蒸発器、バブラー、超音波噴霧器、水または水蒸気の噴射などの周知の装置、並びに氷供給器または製氷器によって行うことができる。プラズマ励起による混合ガスと水との反応は、部分的に水を充填した緩衝容器内でも行うことができ、プラズマ励起による混合ガスを水に通過させて行うこともできる。

規定の作用時間の終了後、プロセスチャンバを、最大許容濃度を下回るまで無菌空気でフラッシングする。滅菌ガスの除去は、ガス洗浄器または吸収材の使用など、周知の適切な措置によって実現することができる。

狭い内腔や隙間への作用を向上させるため、滅菌混合ガスの流入前にプロセスチャンバを真空引きすることができる。大気圧以上に達するまで滅菌混合ガスを流入させることにより、狭い内腔や隙間にも確実に殺生物性の混合ガスが到達する。滅菌ガスの作用プロセス中に圧力変更を何度も行うことにより（圧力スイング技術）、滅菌プロセスが加速され、特に空洞内での機能信頼度を向上させることができる。圧力サイクル数を増やすことにより、サイクル間の圧力差を軽減することが可能となる。従って、圧力に弱い物品も処理することができる。

さらに、滅菌ガスをプロセスチャンバに通し、次に、再びプラズマ源に供給することができるため、循環プロセスにおいてプラズマガスの殺生物性成分の濃度を必要な濃度にまで継続して上昇させることができる。

全部または一部が中空の物品を処理するためには、滅菌ガスを直接中空内に送るか、または中空を通過させることができる。

滅菌混合ガスは、プラズマ励起による混合ガスと水との反応から作られる滅菌溶液（１５）をあらかじめ製造し、この滅菌溶液に空気を通過させ、そこから形成される加湿された混合ガスを滅菌に使用することによっても生成することができる。

基本的に、プラズマ励起による混合ガスは、該当する合成混合ガスによって代替することも可能である。

本方法を実施するための装置は、空気の供給装置、プラズマを生成するプラズマ源、プラズマ源から生じるエアプラズマの酸化装置、水による加湿装置、除染または滅菌する物品を収容するプロセスチャンバから成る。真空ポンプまたは循環ユニット、もしくは滅菌ガスのコンプレッサを追加的に配置することによって、この装置を適切に補充することができる。

プラズマ励起による混合ガスとは、本発明の意味において、イオン化とそれに続く再結合並びに冷却の後に形成される混合ガスを意味し、この混合ガスは、元のガスに対して、新しい分子化合物とラジカルとを含んでいる。

本発明に基づく方法及び装置の従来技術に対する利点は、特に、滅菌に至るまでの微生物の非常に迅速な不活性化が数秒で可能であること、処理する物質及び対象物の直接的なプラズマ接触が行われないか、または行う必要がないこと、好ましくは作用ガスである室内空気または外気及び水だけを使用して、除染に必要な種が生成されることにある。
従って、熱不安定性の物質でも問題なく処理することができる。気体種と液体（凝縮）種との追加的な組合せ効果により、除染または滅菌する物品の処理時間を極端に短く、効率的にすることが可能である。従って、材料の損傷をほぼ回避することができる。プラズマプロセスと滅菌プロセスとを分離することにより、滅菌する物品の材料特性に与えるプラズマの直接的な作用及びプラズマプロセスへのフィードバックも排除され、プロセス信頼度が大幅に向上する。

滅菌混合ガスを約４０℃以下に極端に冷却することにより、例えば傷の消毒や食品の処理など、長い時間を要するヒトへの適用も可能となる。

本方法を実施することにより、生成段階と作用段階とが中間の冷却プロセスによって分離されることから、抗菌作用のある滅菌用の種の生成に関して高い効率を有する非常に高温のエアプラズマを、熱に弱く複雑な構造の物品にも使用することが初めて可能となった。

本方法は、例えば、コストのかからない作用ガスである空気と、少量の水と、マイクロ波出力が約４ｍ^３／ｈまで約２ｋｗである唯一のプラズマ源と、を用いて滅菌混合ガスを生成できるため、極めて経済的かつ効率的である。このことにより、例えば瓶の除染では、１瓶当たり約２秒のサイクル時間が可能となる。プラズマプロセスと滅菌プロセスとが互いに分離されているため、１つのプラズマ源を使って、次々と複数のプロセスチャンバに滅菌混合ガスを充填することができる。従って、例えばプレフォームの場合には、ハイレート法で個別に消毒するか、または１つ以上のチャンバの中でバッチ処理によって大量に消毒するかどちらかの方法がある。

滅菌混合ガスの高い拡散性により、ガス透過性包装（タイベック）を介しても、狭い毛細管や隙間のある複雑な構造の物品を問題なく滅菌することができる。

本方法は、供給される性能のスケーリングが可能であり、広い実施範囲に複数のプラズマ源を配置することができるため、少量から大量の滅菌に適している。

毒性の強い物質の危険物保管の必要がなく、製造工程では常に僅かな量の滅菌混合ガスしか生成されないことから、ヒト及び環境に対する危険度は、設備の破損が生じた場合でも極めて小さい。設備モニタリングをシステムに取り付けることもできる。

迅速かつ効率的な本方法の効果は、多くの微生物学的実験で証明することができた。

プロセスガスの空気（１１）から殺生物性の滅菌混合ガス（１４）を生成し、滅菌する物品（９）の周囲に滅菌混合ガス（１４）を流す装置を示したチャート プロセスガスの空気（１１）から殺生物性の滅菌混合ガス（１４）を生成し、滅菌する物品（９）がプロセスチャンバ（８）内で滅菌混合ガス（１４）の作用を受ける装置を示したチャート プラズマ源（２）によって殺生物性の滅菌混合ガス（１４）及び滅菌溶液（１５）を生成する装置と、滅菌する物品（９）自身から成るプロセスチャンバ（８）とを示したチャート

以下に、本発明を実施例に基づいて説明する。

例１：プラズマ励起による混合ガスの抗菌作用の証明実験

以下に、実験について説明する。様々なバリエーションが可能であり、それらの幾つかについて本方法の殺菌効果を表１に示す。

栄養微生物及び胞子形成微生物の滅菌混合ガスによる除染であり、混合ガスは、乾燥した空気または加湿された空気（ＮＯ、ＮＯ_２）とマイクロ波プラズマとを使用して生成する。

反応チャンバ、従って試験片としては、２５０ｍｌの実験用ガラス瓶が使用された。試験片の汚染はスプレーで行った。試験片を乾燥させた後、処理を行った。初期濃度はそれぞれ１０^８ＣＦＵ／ｍｌであった。評価は、様々な作用時間１０秒〜６０分後に標準化された方法で行った。

表１に示されているログレベル（ＣＦＵ／ｍｌ）の減少係数は、様々な作用時間後に検出された。減少係数は、コントロールの対数（ｌｏｇＣＦＵ）と、プラズマ励起によるガスの暴露後におけるコロニー形成単位数の対数との差である。証明限界は１０^−１である。

この実験は、水を使用した場合、微生物不活性化が、係数≧１０加速することを示している。さらに、ＮＯ_２の重要性が明確に示されている。不活性化を達成するため、抗菌作用のある混合ガスは、プラズマまたは合成によって製造することができる。例えばタイベックなどの拡散バリアは不活性化を遅らせるが、不活性化を阻害しない。試験片のバリエーションは、複雑性が増加する場合のみ影響の遅れがある。

図１は、プロセスガスの空気（１１）から殺生物性の滅菌混合ガス（１４）を生成し、滅菌する物品（９）の周囲に滅菌混合ガス（１４）を流す装置を示している。

この装置は、プラズマ源にマイクロ波エネルギーを供給するマイクロ波ジェネレータ（１）と、大気圧下で多量のホットプラズマ（５）を発生させるプラズマ源（２）と、空気（１１）をプラズマ源（２）に通すコンプレッサ（４）と、ＮＯからＮＯ_２への酸化が行われて、プラズマ励起による混合ガス（７）が生じるまで、プラズマ源（２）から発生するホットプラズマガス（５）を冷却するＮＯの酸化装置（６）（冷却装置）とから成り、プラズマ励起による混合ガスは加湿器（３）の中で水（１２）によって加湿されることにより滅菌混合ガス（１４）を発生させ、この滅菌混合ガス（１４）は、このガスを滅菌する物品（９）の周囲に流すことにより物品に作用を及ぼす。

図２は、プロセスガスの空気（１１）から殺生物性の滅菌混合ガス（１４）を生成し、滅菌する物品（９）がプロセスチャンバ（８）内で滅菌混合ガス（１４）の作用を受ける装置を示している。

この装置は、マイクロ波ジェネレータ（１）、プラズマ源（２）、コンプレッサ（４）、加湿器（３）、ＮＯの酸化装置（６）、プロセスチャンバ（８）、真空ポンプ（１０）、制御及び調整ユニット（１３）から成る。

マイクロ波ジェネレータ（１）は、プラズマ源（２）にマイクロ波エネルギーを供給することにより、供給される空気（１１）から、好ましくは大気圧下でホットプラズマ（５）が生成される。

ＮＯの酸化装置（６）により、プラズマ源（２）から発生するプラズマガス（５）は、少なくともＮＯ_ｘ濃度０．５％のプラズマ励起による混合ガス（７）が形成されるまで、規定の時間内で冷却される。このプラズマ励起による混合ガス（７）は、加湿器（３）の中で水（１２）によって加湿されるため、滅菌混合ガス（１４）が形成され、この滅菌混合ガス（１４）は、滅菌する物品（９）が入っているプロセスチャンバ（８）に送られる。プロセスチャンバ（８）は、完全または部分的に真空ポンプ（１０）によって真空引きされてから、滅菌混合ガス（１４）が充填されるため、滅菌する物品（９）は規定の時間内に滅菌混合ガス（１４）の作用を受けることができる。このプロセスは、特に狭い毛細管や隙間のある物品を確実に滅菌するために何度も繰り返すことができる。ガス透過性膜（タイベック）による滅菌包装で包装された滅菌する物品（９）も、滅菌混合ガス（１４）の作用を受けることができる。滅菌混合ガス（１４）にプロセスチャンバ（８）を通過させ、その後廃棄するか、または次に滅菌混合ガス（１４）を制御及び調整ユニット（１３）によって循環回路の中でプラズマ源（２）に通すことも可能なため、滅菌混合ガス（１４）内の殺生物性種の濃度をより高くすることができる。

図３は、プラズマ源（２）によって殺生物性の滅菌混合ガス（１４）及び滅菌溶液（１５）を生成する装置と、滅菌する物品（９）自身から成るプロセスチャンバ（８）とを示している。

この装置は、マイクロ波ジェネレータ（１）、プラズマ源（２）、コンプレッサ（４）、加湿器（３）、ＮＯの酸化装置（６）、プロセスチャンバ（８）から成る。

プロセスチャンバ（８）は、例えば容器及びホースなど、部分的または完全に滅菌する物品（９）自身から形成することができる。そのような容器及びホースは、例えば、缶、カップ、瓶、チューブ及び内視鏡やカテーテルなどの医療用製品であり得る。

１ マイクロ波ジェネレータ
２ プラズマ源
３ 加湿器
４ コンプレッサ
５ ホットプラズマ
６ 冷却装置
７ プラズマ励起による混合ガス
８ プロセスチャンバ
９ 滅菌する物品
１０ 真空ポンプ
１１ 空気
１２ 水
１３ 制御及び調整装置
１４ 滅菌混合ガス
１５ 滅菌溶液

Claims (20)

1. 対象物を除染及び滅菌する方法であって、
   ａ）プロセスガスである空気から、活性窒素種と活性酸素種とを形成するプラズマを生成工程、
   ｂ）４００℃より低い温度におけるＮＯからＮＯ_２への酸化により、ＮＯ_２濃度が少なくとも０．３％のプラズマ励起による混合ガスの形成工程、
   ｃ）前記プラズマ励起による混合ガスと、１つ以上の物理的状態にある水との接触工程、
   ｄ）工程ｃ）において生成された混合ガスと、除染または滅菌する前記対象物との接触工程、
   とを含む
   ことを特徴とする方法。
2. 前記プラズマ励起による混合ガスと前記水との接触により滅菌溶液を形成し、その滅菌溶液と滅菌する前記対象物とを接触させる
   請求項１に記載の方法。
3. 前記プラズマ励起による混合ガスの前記水または水蒸気との接触を、飽和状態まで行う
   請求項１または２に記載の方法。
4. 前記プラズマ励起による混合ガスと前記水との反応を緩衝容器内で行うか、または、前記プラズマ励起による混合ガスを前記水に通過させる
   請求項１ないし３のいずれかに記載の方法。
5. 前記水と接触させた前記混合ガスを、滅菌する前記対象物に送るか、または、前記対象物がプロセスチャンバ内にあり、そのチャンバ内に、前記水と接触させた前記滅菌混合ガスを送り込む
   請求項１、３または４のいずれかに記載の方法。
6. 前記混合ガス内で形成された化合物を、マイクロ凝縮によって前記対象物の表面に沈殿させる
   請求項１、３ないし５のいずれかに記載の方法。
7. 前記滅菌混合ガス内での滅菌する前記対象物の滞留時間を、２秒から６０分の範囲とする
   請求項１ないし６のいずれかに記載の方法。
8. 前記プラズマの生成を大気圧下で行う
   請求項１ないし７のいずれかに記載の方法。
9. 前記滅菌混合ガスの流入前にプロセスチャンバを真空引きし、そのプロセスチャンバの充填を大気圧以上まで行う
   請求項１ないし８のいずれかに記載の方法。
10. 前記滅菌混合ガスの作用段階中に、圧力変更を複数回行う
    請求項１ないし９のいずれかに記載の方法。
11. 空気を前記滅菌溶液によって加湿し、そこで形成される前記混合ガスと除染する前記対象物とを接触させる
    請求項１または２に記載の方法。
12. 請求項１ないし１１のいずれかに記載の方法を実施するための装置であって、
    空気の供給装置（４）と、プラズマ（５）を生成するプラズマ源（２）と、プラズマガスの酸化装置（冷却装置）（６）と、プラズマ励起による混合ガス（７）と水または水蒸気（１２）とを接触させる装置（３）と、滅菌する対象物（９）を収納する装置と、を備える
    ことを特徴とする装置。
13. 前記プラズマ源（２）が、マイクロ波励起によるプラズマ源である
    請求項１２に記載の装置。
14. 滅菌する前記対象物の収納が、プロセスチャンバ（８）の内部で行われる
    請求項１２または１３に記載の装置。
15. 前記プロセスチャンバ（８）が、真空及び圧力チャンバとして形成されている
    請求項１４に記載の装置。
16. 前記プラズマ源の出口にノズルがある
    請求項１１ないし１５のいずれかに記載の装置。
17. 前記プラズマ励起による混合ガス（７）と前記水または水蒸気とを接触させるための装置（３）としてバブラー、水または水蒸気を噴射する装置が使用される
    請求項１１ないし１６のいずれかに記載の装置。
18. 請求項１１ないし１７のいずれかに記載の装置の適用であって、
    対象物を滅菌するための適用である
    ことを特徴とする装置の適用。
19. ａ）熱不安定性の対象物、または、
    ｂ）食品、または、
    ｃ）狭い毛細管または隙間を備える複雑な構造の対象物、または、
    ｄ）ガス透過性包装の中にある対象物、または、
    ｅ）瓶またはプレフォーム類の塞がれていない容器、
    を消毒するための適用である
    請求項１８に記載の装置の適用。
20. 傷を消毒するための適用である
    請求項１８に記載の装置の適用。

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