WO2010058607A1

WO2010058607A1 - 屋外水の紫外線殺菌装置

Info

Publication number: WO2010058607A1
Application number: PCT/JP2009/006295
Authority: WO
Inventors: 高橋章; 木内陽介; 芥川正武
Original assignee: 国立大学法人徳島大学; シルバーメイキング株式会社
Priority date: 2008-11-21
Filing date: 2009-11-21
Publication date: 2010-05-27
Also published as: JPWO2010058607A1; US20110226966A1; US8324595B2; EP2394963B1; EP2394963A4; EP2394963A1

Abstract

【課題】光回復現象による、殺菌後における細菌数の増加を防止して、紫外線で効果的に屋外水を殺菌する。【解決手段】紫外線殺菌装置は、屋外水９に紫外線を照射して殺菌する。紫外線殺菌装置は、主発光ピークを３２０ｎｍないし４００ｎｍとするＵＶＡの紫外線を照射する紫外線発光ダイオード１を備え、この紫外線発光ダイオード１が照射するＵＶＡの紫外線で屋外水９を殺菌して、殺菌された屋外水９の光回復現象による細菌の増殖を防止している。

Description

屋外水の紫外線殺菌装置

　本発明は、主として汚水、プール水、魚の養殖池水などのように屋外に排水されて太陽光線に照射される屋外水を紫外線で殺菌する装置に関する。

　殺菌は、我々の日常生活のみならず産業上でも必要不可欠である。一般に、殺菌方法としては、塩素などによる薬剤殺菌、加熱殺菌、紫外線殺菌、オゾン殺菌などが知られているが、薬剤による弊害や環境意識の高まりから、殺菌する対象物が変質しないこと、不要な残留物がないこと、環境に優しいことなどの観点から、より質の高い殺菌技術が求められている。このような背景から、紫外線（ＵＶ）を用いた殺菌方法、すなわち紫外線殺菌が広く用いられるようになってきている。

　ＵＶによる殺菌は、薬剤による殺菌と異なり、残留するものがなく、安全性において優れている。また、細菌のＤＮＡを破壊することから、薬剤殺菌と違い耐性菌を作らないという利点もある。ＵＶによる殺菌機構については、一般に次の説明がされている。細菌をはじめ、生物の細胞内には遺伝情報をつかさどる核酸（ＤＮＡ）が存在し、ＵＶが照射されると核酸はその光を吸収し、一部のピリミジン（主にチミン）がピリミジン２量体を形成するため、遺伝子からの転写制御が滞り新陳代謝に支障をきたし死に至るとされる。

　紫外線を利用して水を殺菌する装置は開発されている。（特許文献１参照）
　この公報に記載される装置は、チューブ内を流れる処理水を、チューブの外側に設けている紫外線光源で殺菌する。紫外線光源はランプや発光ダイオードで、チューブの処理水に紫外線を照射して殺菌する。この装置は、薬剤を使用しないで水を殺菌できる。ただ、紫外線殺菌は、細胞内のＤＮＡに損傷を超して微生物を不活性化するものであるが、太陽光線に照射されると、紫外線照射によって不活性化された微生物が、太陽光線に含まれる近紫外光線や可視光線で活性を取り戻して増殖する、すなわち光回復現象による殺菌力の低下がおこる。光回復現象は、４００ｎｍ付近の光が遺伝子修復酵素（photolyase）を活性化して、ピリミジン２量体の形成を修復することで起こる。紫外線による殺菌は、直接に微生物のＤＮＡを傷害してピリミジン２量体を形成することにより引き起こされる染色体の傷害による。ところが、紫外線で不活性化された微生物に、４００ｎｍ付近の光が照射されると、遺伝子修復酵素（photolyase）が活性化されて、ピリミジン２量体の形成が修復されて光回復現象による微生物の活性化が起こる。

　図１は、光回復現象によって殺菌された微生物が増殖することを示すグラフである。この図の横軸は時間（分）、縦軸は殺菌前の細菌数を１として殺菌によって減少する大腸菌の細菌数を示している。この図は、主発光ピークを２５４ｎｍとするＵＶＣの紫外線を、０．０１ｍＷ／ｃｍ^２の強度で約３０分照射して、細菌数を１／２５００に減少し、その後、主発光ピークを３６５ｎｍとするＵＶＡの光線を０．３０ｍＷ／ｃｍ^２の強度で照射して細菌数が増加する状態を示している。この図から明らかなように、ＵＶＣの紫外線を照射した後、太陽光線に含まれるＵＶＡの光線を照射すると、光回復現象によって、約１８０分後には、１／２５００になるまで殺菌されていた大腸菌が、その細菌数が１／２０まで増加する。この図の鎖線は、細菌数を１／２５００となるまで殺菌した後、光線を照射しない状態であって、細菌数が増加しない状態を示している。この図から、光回復現象によって、殺菌されていた大腸菌は１００倍以上にも増殖する。
特開２００８－１３６９４０号公報

　本発明は、以上の弊害を解消することを目的として開発されたもので、本発明の大切な目的は、光回復現象による殺菌後における細菌数の増加を防止して、紫外線で効果的に殺菌できる屋外水の紫外線殺菌装置を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

　本発明の紫外線殺菌装置は、屋外水９に紫外線を照射して殺菌する。紫外線殺菌装置は、主発光ピークを３２０ｎｍないし４００ｎｍとするＵＶＡの紫外線を照射する紫外線発光ダイオード１を備え、この紫外線発光ダイオード１が照射するＵＶＡの紫外線で屋外水９を殺菌して、殺菌された屋外水９の光回復現象による細菌の増殖を防止している。

　以上の紫外線殺菌装置は、光回復現象による殺菌後における細菌数の増加を防止して、紫外線でもって太陽光線に照射される屋外水を効果的に殺菌できる特徴がある。図２は、本発明の紫外線殺菌装置が光回復現象を抑制することで、太陽光線に照射される状態においても効果的な殺菌状態を保持できることを示している。この図は、主発光ピークを３６５ｎｍとするＵＶＡの紫外線を紫外線発光ダイオードでもって７０ｍＷ／ｃｍ^２の強度で３０分照射して、大腸菌の細菌数を約１／８００に減少し、その後、さらに主発光ピークを３６５ｎｍとする、太陽光線に含まれるＵＶＡの光線を照射して細菌数が変化する状態を示している。曲線Ａ、Ｂ、Ｃは、細菌数を１／８００に殺菌した後、照射する紫外線強度を０．０１ｍＷ／ｃｍ^２、０．０９ｍＷ／ｃｍ^２、０．３０ｍＷ／ｃｍ^２として、細菌数が変化する状態を示している。この図の鎖線は、１／８００まで殺菌した後、光線を照射しない状態を示している。この図から明らかなように、ＵＶＡの紫外線を照射して大腸菌の細菌数を１／８００とするまで殺菌した後、太陽光線に含まれるＵＶＡの光線を照射しても、光回復現象による大腸菌の増殖は起こらない。さらに、ＵＶＡの光線を照射することでさらに細菌数が減少することもある。

　さらに、図３は、腸炎ビブリオの殺菌状態を示すグラフである。この図は、主発光ピークを２５４ｎｍとするＵＶＣの紫外線を照射して、腸炎ビブリオの細菌数が約１／７００に減少するまで殺菌した後、太陽光線に含まれるＵＶＡの４０５ｎｍの光線を照射して、腸炎ビブリオが増加する状態と、主発光ピークを３６５ｎｍとするＵＶＡの紫外線を照射して、腸炎ビブリオの細菌数が約１／７００に減少するまで殺菌した後、太陽光線に含まれるＵＶＡの４０５ｎｍの光線を照射して、腸炎ビブリオが増加する状態とを示している。曲線ＡはＵＶＣで殺菌された腸炎ビブリオの細菌数を示し、曲線ＢはＵＶＡの紫外線で殺菌された腸炎ビブリオの細菌数を示している。さらに、鎖線Ｃは、ＵＶＣで細菌数を１／７００まで殺菌した後、光線を照射しない状態を、また、鎖線Ｄは、ＵＶＡで細菌数を１／７００まで殺菌した後、光線を照射しない状態をそれぞれ示している。この図の曲線Ａから明らかなように、ＵＶＣの紫外線で殺菌された腸炎ビブリオは、光回復現象によって、１８０分後には細菌数が１／５０に増加する。すなわち、光回復現象によって細菌数が約１０倍以上に増殖する。これに対して、ＵＶＡの紫外線で殺菌された腸炎ビブリオは、殺菌後に光線を照射しない状態と同じように、１８０分経過後もほとんど増殖せず光回復現象による細菌の増加は起こらない。

　さらに、以上の殺菌装置は、以下の付随的な特徴も実現する。殺菌装置が、紫外線としては可視光線に近いＵＶＡの紫外線発光ダイオードを使用するので、人の目に与える悪影響を防止しながら効果的な殺菌が実現できる。従来の紫外線殺菌は、見えない紫外線を使用するにもかかわらず、人がエリア内に居る場合には消灯して紫外線照射を停止する必要があったが、本発明の紫外線殺菌装置は、目で殺菌状態を確認しながら、人が居る場合もオン・オフの必要がなく、２４時間連続点灯して殺菌効果を発揮することができる。また、壁などの人の目に付く場所でも、特別な遮蔽材を設けることなく設置することができる。

　本発明の屋外水の紫外線殺菌装置は、屋外水９を、汚水、屋外プール水、魚の養殖池水のいずれかとすることができる。

　以上の紫外線殺菌装置は、汚水、屋外プール水、魚の養殖池水を屋外に排水して、太陽光線に照射される状態となっても効果的な殺菌状態にできる特徴がある。とくに、汚水を紫外線で殺菌する装置は、殺菌された汚水を自然の河川や海に排水して、薬剤のように自然環境を悪い影響を与えることがない優れた特徴がある。また、屋外プール水にあっては、塩素などの薬剤を添加することなく効果的に殺菌できるので、スイマーに対する薬害が全くなく、安心して安全に使用できる特徴がある。さらに、魚の養殖にあっては、魚の死滅を防止するために、膨大な量の抗生物質を餌に添加して使用している。この状態で養殖された魚は抗生物質が残存することから食用として決して好ましい状態でない。本発明の殺菌装置は、魚の養殖池水を効果的に殺菌できることから、魚の細菌に起因する死滅を効果的に防止できる。このため、餌に添加する抗生物質量を著しく減少し、抗生物質の残存量を極限できる。このため、安全で安心して食べることができる魚を養殖できる。

　本発明の屋外水の紫外線殺菌装置は、紫外線発光ダイオード１の主発光ピークを３５０ｎｍないし３８０ｎｍとすることができる。

　さらに、本発明の屋外水の紫外線殺菌装置は、紫外線発光ダイオード１に加えて、ＵＶＣの紫外線を放射するＵＶＣ光源２を有することができる。

　図４ないし図６は、汚水を紫外線殺菌して、光回復現象によって細菌数が変化する状態を示すグラフである。これらの図は、紫外線殺菌した後、太陽光線に含まれる３６５ｎｍのＵＶＡの光線を０．３０ｍＷ／ｃｍ^２の強度で照射して細菌数が変化する状態を実線で示し、殺菌した後に光線を照射しない状態での細菌数を鎖線で示している。

　図４は、主発光ピークを２５４ｎｍとするＵＶＣの紫外線を０．０２ｍＷ／ｃｍ^２の強度で照射して細菌数が変化する状態を実線で示している。この図から明らかなようにＵＶＣの紫外線で殺菌された細菌は、ＵＶＣの紫外線の照射を停止して太陽光線に照射されて細菌数が急激に増加する。すなわち光回復現象によって細菌数は著しく増加する。

　これに対して、図５は、主発光ピークを３６５ｎｍとするＵＶＡの紫外線を７０ｍＷ／ｃｍ^２の強度で照射して殺菌した後、太陽光線に含まれるＵＶＡの光線を照射するものであるが、殺菌された細菌の光回復現象による増殖は起こらない。さらに、図６は、主発光ピークを２５４ｎｍとし、強度を０．０２ｍＷ／ｃｍ^２とするＵＶＣの紫外線と、主発光ピークを３６５ｎｍとし、強度を７０ｍＷ／ｃｍ^２とするＵＶＡの紫外線の両方を一緒に照射して汚水を殺菌して細菌数が増加する状態を示している。この図から、ＵＶＣとＵＶＡの両方の紫外線を照射することで、細菌数を約１／５０００と極めて効果的な殺菌が実現できることに加えて、ＵＶＣとＵＶＡの紫外線で効果的に殺菌したにもかかわらず、光回復現象による細菌数の増加はほとんど起こらない。すなわち、細菌にはＵＶＣとＵＶＡの紫外線が有効に作用して効果的な殺菌が実現できるにもかかわらず、ＵＶＡの紫外線を照射することで光回復現象を理想的な状態に抑制できる。したがって、この殺菌装置は、安価な殺菌ランプや紫外線ランプで効果的に殺菌しながら、同時にＵＶＡの紫外線を照射することで光回復現象による細菌の増殖を抑制できるという理想的な殺菌が実現できる。

　さらに、本発明の屋外水の紫外線殺菌装置は、ＵＶＣ光源２の出力を紫外線発光ダイオード１の出力よりも小さくすることができる。

　以上の殺菌装置は、ＵＶＣ光源の出力を紫外線発光ダイオードの出力よりも小さくして、ＵＶＣ光源と紫外線発光ダイオードの相乗効果で効果的に殺菌できることから、設備コストを低減して極めて効率よく殺菌しながら、光回復現象による殺菌された細菌の増殖を抑制して、効果的な殺菌状態に保持できる特徴がある。

　以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための紫外線殺菌装置を例示するものであって、本発明は紫外線殺菌装置を以下のものに特定しない。さらに、この明細書は、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

　図７ないし図１０に示す紫外線殺菌装置は、汚水、屋外プール水、魚の養殖池水のいずれかの屋外水にＵＶＡの紫外線を照射して殺菌する。図７と図８の紫外線殺菌装置は、水槽１０に蓄える屋外水９の水面の上方にセットされて、屋外水９に向かってＵＶＡの紫外線を照射する。図９と図１０の紫外線殺菌装置は防水構造で、屋外水９の液中に配置されて屋外水９に紫外線を照射する。図７と図９の紫外線殺菌装置は、外装ケース３に、ＵＶＡの紫外線を照射する紫外線発光ダイオード１を設けている。図８と図１０の紫外線殺菌装置は、外装ケース３に、紫外線発光ダイオード１に加えてＵＶＣの紫外線を放射するＵＶＣ光源２を設けている。

　外装ケース３は、内面で紫外線を反射する反射層４を設けている。これ等の図に示す外装ケース３は、周囲に周壁５を設けて、紫外線発光ダイオード１とＵＶＣ光源２から放射される紫外線を効果的に反射して屋外水９に照射している。とくに、ＵＶＣ光源２を内蔵する外装ケース３は、周壁５でＵＶＣの紫外線が外部に漏れるのを防止する。

　外装ケース３は、回路基板６を内蔵しており、この回路基板６に複数の紫外線発光ダイオード１を固定している。図の回路基板６は細長い板状としており、この回路基板６に複数の紫外線発光ダイオード１を複数列に並べて固定している。図７と図９の外装ケース３は、この回路基板６を複数列に並べて配置して、紫外線発光ダイオード１の照射面積を広くしている。ただ、外装ケースは、１枚の回路基板を内蔵して、この回路基板に複数の紫外線発光ダイオードを固定することもできる。また、図８と図１０の外装ケース３は、図１１の斜視図に示すように、複数の紫外線発光ダイオード１を固定している細長い板状の回路基板６と、円筒状の細長い紫外線ランプであるＵＶＣ光源２とを交互に並べて内蔵している。この構造は、回路基板６に固定した複数の紫外線発光ダイオード１とＵＶＣ光源２から、広い範囲にムラなく紫外線を照射できる特徴がある。

　さらに、図９と図１０の紫外線殺菌装置は、防水構造とするために、外装ケース３の開口部を透光プレート７で閉塞している。透光プレート７は、外装ケース３の開口縁を水密に閉塞するために、周壁５の端面との境界部分にパッキン等の防水部材（図示せず）を介在させて外装ケース３に固定している。この透光プレート７は、外装ケース３に内蔵される紫外線発光ダイオード１やＵＶＣ光源２から照射される紫外線を透過させて外部に照射する。したがって、この透光プレート７には、紫外線の透過率に優れた石英ガラスを使用する。ただ、透光プレートには、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム等も使用できる。

　以上の外装ケース３は、全体の形状を箱形の容器形状として、その内部に、複数の紫外線発光ダイオード１を固定している回路基板６を配置し、あるいは、複数の紫外線発光ダイオード１を固定している回路基板６とＵＶＣ光源２とを配置している。ただ、本発明の紫外線殺菌装置は、外装ケースの形状や紫外線発光ダイオード及びＵＶＣ光源の配置を以上の構造に特定しない。紫外線殺菌装置は、複数の紫外線発光ダイオードを、平面状、棒状、筒状、箱状、球状もしくは任意の形状の取り付け部材の表面及び／又は裏面に並べて取り付けると共に、この取り付け部材を種々の形状の外装ケースに内蔵して、紫外線発光ダイオードから放射される紫外線を、取り付け部材の形状に応じて周囲に放射して、屋外水に照射することができる。

　図１２と図１３の紫外線殺菌装置は、円筒状の外装ケース２３に、透光性を有する移送管２５を同軸に配管すると共に、外装ケース２３の内側に複数の紫外線発光ダイオード１を内蔵しており、これらの紫外線発光ダイオード１から移送管２５にＵＶＡの紫外線を照射して、移送管２５で移送される屋外水９を殺菌する構造としている。この紫外線殺菌装置は、図１２に示すように、ポンプ等の循環器２８を介して屋外水９を移送管２５に移送させると共に、移送管２５を通過する屋外水９に紫外線を照射して屋外水９を殺菌する。円筒状の外装ケース２３は、図１３に示すように、内面に反射層２４を設けている。移送管２５は、円筒状のパイプで、石英ガラスで製造して、紫外線発光ダイオード１から照射される紫外線を効率よく透過できるようにしている。複数の紫外線発光ダイオード１は、取り付け部材である回路基板２６に固定されると共に、この回路基板２６を円筒状の外装ケース２３の内側に等間隔で固定している。さらに、図に示す紫外線殺菌装置は、外装ケース２３の内側であって、複数の回路基板６の間にＵＶＣ光源２を配置している。この紫外線殺菌装置は、紫外線発光ダイオード１からＵＶＡの紫外線を、ＵＶＣ光源２からＵＶＣの紫外線を同時に照射して、移送管２５で移送される屋外水９をより効果的に殺菌できる。

　さらに、図１４と図１５に示す、紫外線殺菌装置は、水に対する密閉性と防水性を備え、かつ紫外線発光ダイオード１から放射される紫外線を透過させる透明性のある容器３３に複数の紫外線発光ダイオード１を内蔵している。この紫外線殺菌装置は、図１４に示すように、屋外水９の液中に配置して、屋外水９に紫外線を照射して殺菌する。容器３３は、底を閉塞してなる円筒状で、上方の開口部を蓋体３５で水密に閉塞している。この容器３３は、石英ガラスで製造しており、紫外線発光ダイオード１から照射される紫外線を効率よく透過できるようにしている。複数の紫外線発光ダイオード１は、照射方向が外側となる姿勢で容器３３内に配置して、紫外線発光ダイオード１から放射される紫外線を四方八方に発散する構造としている。図１５の紫外線殺菌装置は、複数の紫外線発光ダイオード１を、取り付け部材である固定筒３６の外周面に所定の等間で固定すると共に、この固定筒３６を円筒状の容器３３の内側に同軸に配置している。図の固定筒３６は、外周面に反射層３４を設けており、紫外線を効果的に反射して屋外水９に照射している。この構造の紫外線殺菌装置は、小型でかつ広範囲に殺菌効果を実現できる特徴がある。さらに、紫外線殺菌装置は、図の鎖線で示すように、固定筒３６の外側に、ＵＶＣ光源２を配置して、ＵＶＡの紫外線とＵＶＣの紫外線を照射して、屋外水９をより効果的に殺菌することもできる。

　紫外線発光ダイオード１は、３２０ｎｍないし４００ｎｍの波長域に主発光ピークを有するＵＶＡの紫外線を放射する。より好ましくは、紫外線発光ダイオード１が放射する紫外線の主発光ピークは、３５０ないし３８０ｎｍと、さらに狭い波長域とする。主発光ピークをこれ等の波長領域とする紫外線発光ダイオード１は、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子で実現する。この紫外線発光ダイオード１は、可視光線と近紫外線の境界領域を含む光線を照射する。可視光線が３８０ｎｍ以上の波長領域にあるからである。

　さらにまた、紫外線発光ダイオード１の出力は、先端から１ｃｍ離れた中心線上の放射強度を、たとえば１０ｍＷ／ｃｍ^２以上、好ましくは５０ｍＷ／ｃｍ^２以上、さらに好ましくは６０ｍＷ／ｃｍ^２以上とする。

　ＵＶＣ光源２は、２８０ｎｍ未満の波長域にあるＵＶＣの紫外線を放射する紫外線ランプである。図に示すＵＶＣ光源２は、最も一般的な紫外線ランプとして、円筒状の細長いランプを使用している。このように、ＵＶＣ光源２を備える紫外線殺菌装置は、紫外線発光ダイオード１からＵＶＡの紫外線を照射して殺菌することに加えて、ＵＶＣ光源２からＵＶＣの紫外線を照射することによる相乗効果で、より効果的に殺菌できる。とくに、紫外線発光ダイオード１でＵＶＡの紫外線を照射することで光回復現象を抑制しながら、ＵＶＣとＵＶＡの紫外線を有効に作用させて、より効果的な殺菌が実現できる。このＵＶＣ光源２の出力は、紫外線発光ダイオード１の出力よりも小さくすることができる。ＵＶＣ光源２の出力は、たとえば１μＷ／ｃｍ^２以上、好ましくは５μＷ／ｃｍ^２以上、さらに好ましくは１０μＷ／ｃｍ^２以上とする。

　紫外線発光ダイオードやＵＶＣ光源は、紫外線を直接に屋外水に向かって照射することなく、反射させて間接的に屋外水に向かって照射することもできる。また、紫外線発光ダイオードやＵＶＣ光源から放射される紫外線の一部で光触媒を照射し、光触媒との相乗効果で殺菌することもできる。さらに、紫外線の一部で蛍光体等の波長変換材料を照射し、波長変換材料で紫外線を波長変換することもできる。本発明の紫外線殺菌装置は、紫外線発光ダイオードやＵＶＣ光源から放射される紫外線で光触媒を活性化することができ、光触媒を併用すると紫外線と活性酸素の相乗効果を利用できる。ただ、光触媒を併用すると、触媒性能のばらつきや劣化、さらには材料費、加工費が増大する。したがって、光触媒や波長変換材料を使用することなく、紫外線発光ダイオードやＵＶＣ光源から放射される紫外線をできる限り効率よく屋外水に照射して、効果的な殺菌が実現できる。

　図１６は、ＵＶＡとＵＶＣを用いた単独・併用照射による生存率を示している。ただし、この図は、ＵＶＡ、ＵＶＣを照射して腸炎ビブリオの生存率が変化する状態、すなわちＵＶＡ、ＵＶＣを照射しない腸炎ビブリオの菌数に対して、ＵＶＡ、ＵＶＣを照射して腸炎ビブリオが殺菌されて菌数が少なくなる比率を生存率として示している。ＵＶＡは６分照射して積算光量を３６Ｊ／ｃｍ^２、ＵＶＣは６分照射して積算光量を０．０２４Ｊ／ｃｍ^２としている。この図から、ＵＶＡのみを照射する状態にあっては、照射されない状態に対して腸炎ビブリオは約１／５に殺菌される。ＵＶＣのみを照射する状態にあっては、照射されない照射に対して腸炎ビブリオは約１／１０に殺菌される。ＵＶＡを照射した後ＵＶＣを照射する状態にあっては、照射されない状態に対して約１／４６に殺菌され、ＵＶＣを照射した後ＵＶＡを照射する状態にあっては約１／２１に殺菌され、さらにＵＶＡとＵＶＣの両方を同時に照射する状態にあっては、照射しない状態に対して約１／１３０に殺菌され、ＵＶＡとＵＶＣを同時に照射することにより、相乗的に殺菌効果が増強することが明らかとなる。

　図１７はＵＶＡを照射する積算光量を増加して、腸炎ビブリオの殺菌効果が向上することを示すグラフである。ただし、この図は、ＵＶＣを６分照射してその積算光量を一定の０．０２４Ｊ／ｃｍ^２とし、ＵＶＡの照射強度を１００ｍＷ／ｃｍ^２とし、その照射時間を変更して積算光量を０～１００Ｊ／ｃｍ^２に変化させる状態で腸炎ビブリオが殺菌されて菌数が減少する生存率を示している。この図は、ＵＶＡとＵＶＣを照射しない腸炎ビブリオの菌数に対して、ＵＶＡとＵＶＣを照射して腸炎ビブリオが殺菌されて菌数が少なくなる比率を示している。この図から明らかなように、ＵＶＡの積算光量を増加することで、ＵＶＡとＵＶＣ同時照射による殺菌効果は著しく増強される。ちなみに、ＵＶＡの積算光量を２５Ｊ／ｃｍ^２とする状態での生存率は約１／１０、３６Ｊ／ｃｍ^２とする状態での生存率は約１／１００、９０Ｊ／ｃｍ^２とする状態での生存率は約１／５００００と極めて殺菌効果が強くなる。

　図１７のグラフにおいて、ＵＶＣの積算光量を０．０２４Ｊ／ｃｍ^２とするので、ＵＶＡの積算光量を２５Ｊ／ｃｍ^２とする状態ではＵＶＡ／ＵＶＣは約１０００倍、ＵＶＡの積算光量を３６Ｊ／ｃｍ^２とする状態でのＵＶＡ／ＵＶＣは１５００倍、ＵＶＡの積算光量を９０Ｊ／ｃｍ^２とする状態でのＵＶＡ／ＵＶＣは３７５０倍であるから、ＵＶＡの積算光量をＵＶＣの積算光量の５００倍以上、好ましくは１０００倍以上、さらに好ましくは１５００倍以上とすることで、ＵＶＡとＵＶＣの両方を照射して殺菌効果を著しく向上することができる。ＵＶＡとＵＶＣの積算光量は、照射強度と照射時間の積であるから、ＵＶＡとＵＶＣを同時に照射する装置においては、ＵＶＡ／ＵＶＣの積算光量の比率は、ＵＶＡ／ＵＶＣの照射強度の比率となる。

　さらに、図１８は光触媒である酸化チタンとＵＶＡを併用しての殺菌効果を示している。ただし、この図は、９６ウエルプレートに２００μｌの腸炎ビブリオを１０^６／ｍｌの濃度で入れて、ＵＶＡとＵＶＣを照射しての腸炎ビブリオの菌数が減少する率、すなわち生存率を示している。この図もウエルの底は０．５ｃｍ^２の酸化チタンコートを行っている。ＵＶＡのみの照射における生存率は約１／５、酸化チタンのみの生存率は約１／２、酸化チタンにＵＶＡを照射しての生存率は約１／６となる。この図から、酸化チタンとＵＶＡとの殺菌の相乗効果は非常に弱いことが明白となる。

［紫外線殺菌装置の作製］
　図７に示すように、外装ケース３に複数の紫外線発光ダイオード１を所定の配列で配置する。複数の紫外線発光ダイオード１は真下に向く姿勢で、回路基板６を介して外装ケース３の内部に固定される。紫外線発光ダイオード１（日亜化学工業株式会社製）は、主発光ピーク波長を３６５ｎｍ、発光スペクトルの半値幅を１０ｎｍ、光出力を１００ｍＷとするものである。複数の紫外線発光ダイオード１は、直列と並列に接続して電源（菊水電子工業株式会社製ＰＡＳ４０－９）に接続される。電源は、出力を安定化している直流安定化電源である。この電源は、紫外線発光ダイオード１の光出力を１００ｍＷとする定格電流の５００ｍＡで通電する定電流モードで使用する。

　以上の紫外線殺菌装置が優れた殺菌効果を有することは、以下の試験で確認される。
［培養液の作成法］
　細菌の培養には、ＬＢ培地を用いる。液体培地と寒天培地（ＬＢプレート）の作成方法を次に述べる。　
・ＬＢ培地の組成；tryptone　　　　　　１％　１０ｇ／ｌ
　　　　　　　　　yeast extract 　０．５％　　５ｇ／ｌ
　　　　　　　　　NaCl　　　　　　　　１％　１０ｇ／ｌ
　寒天培地の場合は、これにａｇａｒを１．５％（Ｗ／Ｖ）になるように加える。

　ＬＢ培地は、脱イオン水に溶解後、オートクレーブにて滅菌（１２１℃、２０分）する。寒天培地は、スターラーバーを入れておき、オートクレーブ後、スターラーで均一に攪拌し、６５℃程度に冷めたら、１０ｃｍのディスポーザブルプラスチックシャーレ（栄研器材株式会社）に適量を分注し、水平な所に置いて固化させる。

［本実験の指標菌］
　殺菌される屋外水の指標菌として、非病原性大腸菌ＤＨ５α株を使用する。実験で作製した紫外線殺菌装置の大腸菌に対する殺菌効果の検討を行うために、大腸菌はＬＢ培地５ｍｌを用いて、３７℃の振盪培養器で１６時間培養したものを使用する。

［菌数の調整法］
　実験では、菌数の測定に、平板培養法を用いる。これは、寒天培地上に一定量の菌液を塗抹し培養して生成したコロニー数を数えるというものである。コロニーとは同一の細菌から成る集団のことで、１個の菌体は肉眼では見えないが、コロニーは肉眼で確認できる。菌数の調整には、まず分光光度計でおよその菌数を測定し、その後、段階希釈を行う。

・分光光度計
　ある波長の光がある物質の溶液層を通過する間に、その強さがＩ_０（入射光の強さ）からＩ（透過光の強さ）に変化したとする。このとき、Ｉ_０に対するＩの比（Ｉ／Ｉ_０）を透過度（ｔ；transmittance）と言い、透過度を百分率で表したものを透過率（Ｔ；percent transmittance）と言う。光学密度（Ｏ．Ｄ．；optical density）は、透過度の逆数の常用対数である。

Ｔ＝（Ｉ／Ｉ_０）×１００、Ａ＝－ｌｏｇｔ＝ｌｏｇ（Ｉ_０／Ｉ）＝Ｏ．Ｄ．
　大腸菌の数を測定するためには、波長６００ｎｍの光を用いて計測する。その結果をＯＤ_６００と書く。
　実験には、菌液を試料として、ＰＢＳ［phosphate-buffeved saline（リン酸緩衝液）以下ＰＢＳという］を対照にＯＤ_６００を計測する。菌液に希釈液（ＰＢＳ）を混合し、ＯＤ_６００の値が１．０となるように調整する。ＯＤ_６００＝１．０に調整した菌液を原液とし、これをＰＢＳにより１０^６倍まで段階希釈する。試料原液１００μｌをＰＢＳ９００μｌに混合し、１０倍希釈液とし、さらに１０倍希釈液１００μｌをＰＢＳ９００μｌに混合し１００倍希釈液とする。同様に順次希釈し６段階まで調整した。

［紫外線殺菌装置が紫外線を照射する前の菌数の測定］
　予備実験により、１０^５倍、１０^６倍に希釈した菌液が紫外線照射前の菌数の測定に適しているので、それぞれを１００μｌずつＬＢプレートに滴下し、コンラージ棒でまんべんなく塗抹し、３７℃、１６時間培養する。その後、ＬＢ寒天培地上に出現したコロニー数の測定を行う。コロニー数を数えるには、シャーレの裏側から全てのコロニーを肉眼で数える。菌数は、各希釈倍数のプレートのコロニー数にその希釈倍数を乗じ、平均して求める。菌液中の菌数は、例えば、５×１０^９個／ｍｌとなるように調整する。

［紫外線殺菌装置から紫外線を照射］
(1)　殺菌工程
　前述した調整法にて調整した菌液を、滅菌済ウェルプレート（BectonDickinson Labware）に２００μｌ入れる。この菌液２００μｌ中には、約１０^９個の大腸菌が存在する。この菌液に、主発光ピークを３６５ｎｍとするＵＶＡの紫外線を紫外線発光ダイオード１でもって７０ｍＷ／ｃｍ^２の強度で３０分照射する。この工程におけるＵＶＡの紫外線の照射は、指標菌である大腸菌を殺菌するために行う。紫外線を照射後の細菌数を測定する。

(2)　光回復工程
　さらに、その後、主発光ピークを３６５ｎｍとする、太陽光線に含まれるＵＶＡの光線を、０．０１ｍＷ／ｃｍ^２、０．０９ｍＷ／ｃｍ^２、０．３０ｍＷ／ｃｍ^２の３段階の紫外線強度に分けて照射する。この工程におけるＵＶＡの紫外線の照射は、殺菌後における光回復現象による細菌数の変化を測定するために行う。各紫外線強度における照射について、３０分経過後、６０分経過後、１２０分経過後、１８０分経過後の細菌数をそれぞれ測定する。

［紫外線殺菌装置で紫外線を照射した後の菌数の測定］
　紫外線照射後の菌数の測定は、紫外線照射後の菌液を取り出しＰＢＳにより１０倍、１００倍に希釈する。そして、希釈なし（原液）、１０倍希釈、１００倍希釈した菌液をそれぞれ１００μｌずつＬＢプレートに滴下しコンラージ棒でまんべんなく塗抹する。これを３７℃、１６時間培養した後、ＬＢ寒天培地上に出現したコロニー数の測定を行い、各条件下における紫外線照射後の残存している菌数を算定する。　
　紫外線発光ダイオード１による紫外線照射における殺菌効果を評価するために、紫外線照射前（殺菌前）の細菌数を１として、紫外線の照射によって減少する大腸菌の細菌数を比率で示す。

　以上の実験結果を図２に示す。この図は、主発光ピークを３６５ｎｍとするＵＶＡの紫外線を７０ｍＷ／ｃｍ^２の強度で３０分照射する殺菌工程によって、大腸菌の細菌数が約１／８００に減少し、その後、光回復工程において、太陽光線に含まれるＵＶＡの光線を照射して細菌数が変化する状態を示している。この図において、曲線Ａ、Ｂ、Ｃは、殺菌後に照射する紫外線強度を０．０１ｍＷ／ｃｍ^２、０．０９ｍＷ／ｃｍ^２、０．３０ｍＷ／ｃｍ^２として、細菌数が変化する状態を示している。さらに、図の鎖線は、太陽光線に含まれるＵＶＡの光線を照射しない状態における細菌数の変化を示している。この図から明らかなように、殺菌工程において、ＵＶＡの紫外線を照射して大腸菌の細菌数を１／８００とするまで殺菌した後、太陽光線に含まれるＵＶＡの光線を種々の紫外線強度で照射しても、光回復現象による大腸菌の増殖は起こらないことがわかる。さらに、曲線Ｃで示すように、ＵＶＡの光線を照射することで、さらに細菌数が減少することもある。

　殺菌される屋外水の指標菌として、非病原性大腸菌に代わって、腸炎ビブリオ菌を使用し、殺菌工程後の光回復工程において照射する太陽光線に含まれるＵＶＡの光線の紫外線強度を０．３０ｍＷ／ｃｍ^２とする以外、実施例１と同様にして細菌数の変化を測定する。

　この実験結果を図３に示す。この図は、主発光ピークを３６５ｎｍとするＵＶＡの紫外線を７０ｍＷ／ｃｍ^２の強度で照射する殺菌工程によって、腸炎ビブリオの細菌数が約１／７００に減少し、その後、光回復工程において、太陽光線に含まれるＵＶＡの３６５ｎｍの光線を照射して、腸炎ビブリオの菌数が変化する状態を示している。この図において曲線Ｂは、光回復工程において照射する紫外線強度を０．３０ｍＷ／ｃｍ^２として、細菌数が変化する状態を示し、図の鎖線Ｄは、太陽光線に含まれるＵＶＡの光線を照射しない状態における細菌数の変化を示している。この図から明らかなように、殺菌工程において、ＵＶＡの紫外線を照射して腸炎ビブリオの細菌数を１／７００とするまで殺菌した後、太陽光線に含まれるＵＶＡの光線を照射しても、光回復現象による腸炎ビブリオ菌の増殖は起こらないことがわかる。

　紫外線殺菌装置として、図８に示すように、外装ケース３に複数の紫外線発光ダイオード１とＵＶＣ光源２とを備えるものを使用し、殺菌される屋外水として汚水を使用する。
　殺菌工程において、主発光ピークを３６５ｎｍとするＵＶＡの紫外線を紫外線発光ダイオード１でもって７０ｍＷ／ｃｍ^２の強度で１５分照射して殺菌する。この殺菌後に、光回復工程として、主発光ピークを３６５ｎｍとする、太陽光線に含まれるＵＶＡの光線を、０．３０ｍＷ／ｃｍ^２の紫外線強度で照射し、１８０分経過後の細菌数を測定する。

　この実験結果を図５に示す。この図は、殺菌工程によって、汚水に含まれる細菌数が約１／２０に減少し、その後、光回復工程において、菌数が変化する状態を示している。図の実線は、光回復工程において、太陽光に含まれるＵＶＡの光線を照射して、細菌数が変化する状態を示し、図の鎖線は、太陽光線に含まれるＵＶＡの光線を照射しない状態における細菌数の変化を示している。この図から明らかなように、殺菌工程において、ＵＶＡの紫外線を照射して汚水に含まれる細菌数を１／２０とするまで殺菌した後、太陽光線に含まれるＵＶＡの光線を照射しても、光回復現象による細菌の増殖は起こらないことがわかる。

　殺菌工程において、主発光ピークを２５４ｎｍとして、強度を０．０２ｍＷ／ｃｍ^２とするＵＶＣの紫外線をＵＶＣ光源２から照射し、主発光ピークを３６５ｎｍとして、強度を７０ｍＷ／ｃｍ^２とするＵＶＡの紫外線を紫外線発光ダイオード１から照射する以外、すなわち、ＵＶＣの紫外線とＵＶＡの紫外線の両方を一緒に１５分照射して汚水を殺菌する以外、実施例３と同様にして細菌数の変化を測定する。

　この実験結果を図６に示す。この図は、殺菌工程によって、汚水に含まれる細菌数が約１／５０００に減少し、その後、光回復工程において、菌数が変化する状態を示している。図の実線は、光回復工程において、太陽光に含まれるＵＶＡの光線を０．３０ｍＷ／ｃｍ^２の紫外線強度で照射して、細菌数が変化する状態を示し、図の鎖線は、太陽光線に含まれるＵＶＡの光線を照射しない状態における細菌数の変化を示している。この図から明らかなように、殺菌工程において、ＵＶＣとＵＶＡの両方の紫外線を照射することで、細菌数を約１／５０００と極めて効果的な殺菌が実現できることに加えて、ＵＶＣとＵＶＡの紫外線で効果的に殺菌したにもかかわらず、光回復現象による細菌数の増加はほとんど起こらないことがわかる。とくに、ＵＶＣ光源の出力を紫外線発光ダイオードの出力よりも小さくするにも関わらず、ＵＶＣの紫外線とＵＶＡの紫外線の相乗効果で、極めて効果的に殺菌しながら、光回復現象による殺菌された細菌の増殖を抑制して、効果的な殺菌状態に保持できることがわかる。

　[比較例１]
　殺菌工程において、主発光ピークを２５４ｎｍとするＵＶＣの紫外線を７０ｍＷ／ｃｍ^２の強度で照射する以外、実施例２と同様にして細菌数の変化を測定する。

　図３の曲線Ａは、ＵＶＣの紫外線による殺菌後に、光回復工程において、太陽光に含まれるＵＶＡの光線を０．３０ｍＷ／ｃｍ^２の紫外線強度で照射して、細菌数が変化する状態を示し、図の鎖線Ｃは、太陽光線に含まれるＵＶＡの光線を照射しない状態における細菌数の変化を示している。この図から明らかなように、殺菌工程において、ＵＶＣの紫外線を照射して腸炎ビブリオの細菌数を１／７００とするまで殺菌しても、その後、太陽光線に含まれるＵＶＡの光線を照射することで、光回復現象によって、１８０分後には細菌数が１／５０に増加する。すなわち、光回復現象によって細菌数が約１０倍以上に増殖することがわかる。

　[比較例２]
殺菌工程において、主発光ピークを２５４ｎｍとするＵＶＣの紫外線を７０ｍＷ／ｃｍ^２の強度で照射する以外、実施例３と同様にして細菌数の変化を測定する。

　図４の実線は、ＵＶＣの紫外線による殺菌後に、光回復工程において、太陽光に含まれるＵＶＡの光線を０．３０ｍＷ／ｃｍ^２の紫外線強度で照射して、細菌数が変化する状態を示し、図の鎖線は、太陽光線に含まれるＵＶＡの光線を照射しない状態における細菌数の変化を示している。この図から明らかなように、殺菌工程において、ＵＶＣの紫外線を照射して汚水に含まれる細菌数を１／８００とするまで殺菌しても、その後、太陽光線に含まれるＵＶＡの光線を照射することで、光回復現象によって、１８０分後には細菌数が１／５０に増加する。すなわち、光回復現象によって細菌数が約１０倍以上に増殖することがわかる。

　本発明は、屋外の水を紫外線で殺菌する分野、たとえば汚水、プール水、魚の養殖池水などの種々の分野において利用することができる。

紫外線の照射で殺菌された細菌が光回復現象によって増殖する状態を示すグラフである。本発明の紫外線殺菌装置が光回復現象を抑制する状態を示すグラフであって、実施例１における大腸菌の殺菌状態を示すグラフである。本発明の紫外線殺菌装置が光回復現象を抑制する状態を示すグラフであって、実施例２と比較例１における腸炎ビブリオ菌の殺菌状態を示すグラフである。比較例２における光回復現象を示すグラフであって、汚水の殺菌状態を示すグラフである。本発明の紫外線殺菌装置が光回復現象を抑制する状態を示すグラフであって、実施例３における汚水の殺菌状態を示すグラフである。本発明の紫外線殺菌装置が光回復現象を抑制する状態を示すグラフであって、実施例４における汚水の殺菌状態を示すグラフである。本発明の一実施例にかかる紫外線殺菌装置の使用状態を示す概略断面図である。本発明の他の実施例にかかる紫外線殺菌装置の使用状態を示す概略断面図である。本発明の他の実施例にかかる紫外線殺菌装置の使用状態を示す概略断面図である。本発明の他の実施例にかかる紫外線殺菌装置の使用状態を示す概略断面図である。図８と図１０に示す紫外線殺菌装置の内部構造を示す斜視図である。本発明の他の実施例にかかる紫外線殺菌装置の使用状態を示す概略断面図である。図１２に示す紫外線殺菌装置の内部構造を示す拡大横断面図である。本発明の他の実施例にかかる紫外線殺菌装置の使用状態を示す概略断面図である。図１４に示す紫外線殺菌装置の内部構造を示す拡大横断面図である。ＵＶＡとＵＶＣを用いた単独、併用照射による細菌の生存率を示すグラフグラフである。ＵＶＡ照射量を変化させた時のＵＶＣ併用による殺菌効果の変化を示すグラフである。光触媒の酸化チタンとＵＶＡ併用による細菌の生存率を示すグラフである。

　　１…紫外線発光ダイオード
　　２…ＵＶＣ光源
　　３…外装ケース
　　４…反射層
　　５…周壁
　　６…回路基板
　　７…透光プレート
　　９…屋外水
　１０…水槽
　２３…外装ケース
　２４…反射層
　２５…移送管
　２６…回路基板
　２８…循環器
　３３…容器
　３４…反射層
　３５…蓋体
　３６…固定筒

Claims

　屋外水(9)に紫外線を照射して殺菌する紫外線殺菌装置であって、
　主発光ピークを３２０ｎｍないし４００ｎｍとするＵＶＡの紫外線を照射する紫外線発光ダイオード(1)を備え、この紫外線発光ダイオード(1)が照射するＵＶＡの紫外線で屋外水(9)が殺菌され、殺菌された屋外水(9)の光回復現象による細菌の増殖を防止するようにしてなる屋外水の紫外線殺菌装置。
　前記屋外水(9)が汚水、屋外プール水、魚の養殖池水のいずれかである請求項１に記載される屋外水の紫外線殺菌装置。
　前記紫外線発光ダイオード(1)の主発光ピークが３５０ｎｍないし３８０ｎｍである請求項１に記載される屋外水の紫外線殺菌装置。
　前記紫外線発光ダイオード(1)の出力が、先端から１ｃｍ離れた中心線上の放射強度を１０ｍＷ／ｃｍ^２以上とする請求項１に記載される屋外水の紫外線殺菌装置。
　前記紫外線発光ダイオード(1)に加えて、ＵＶＣの紫外線を放射するＵＶＣ光源(2)を有する請求項１に記載される屋外水の紫外線殺菌装置。
　前記ＵＶＣ光源(2)の出力が前記紫外線発光ダイオード(1)の出力よりも小さい請求項５に記載される屋外水の紫外線殺菌装置。
　前記ＵＶＣ光源(2)の出力が、１ｃｍ離れた放射強度を１μＷ／ｃｍ^２以上としてなる請求項６に記載される屋外水の紫外線殺菌装置。
　前記ＵＶＡの照射強度がＵＶＣの照射強度の５００倍以上である請求項１に記載される屋外水の紫外線殺菌装置。
　前記ＵＶＡの照射強度がＵＶＣの照射強度の１０００倍以上である請求項１に記載される屋外水の紫外線殺菌装置。
　前記ＵＶＡの照射強度がＵＶＣの照射強度の１５００倍以上である請求項１に記載される屋外水の紫外線殺菌装置。
　ＵＶＡの紫外線を照射する紫外線発光ダイオード(1)を内蔵してなる外装ケース(3)を有する請求項１に記載される屋外水の紫外線殺菌装置。
　前記紫外線発光ダイオード(1)とＵＶＣ光源(2)とを内蔵する外装ケース(3)を有する請求項５に記載される屋外水の紫外線殺菌装置。
　前記外装ケース(3)が、内面で紫外線を反射する反射層(4)を有する請求項１２に記載される屋外水の紫外線殺菌装置。
　前記外装ケース(3)が周囲に周壁(5)を有し、前記紫外線発光ダイオード(1)とＵＶＣ光源(2)から放射される紫外線を反射して屋外水(9)に照射するようにしてなる請求項１２に記載される屋外水の紫外線殺菌装置。
　前記外装ケース(3)が防水構造で、屋外水(9)の液中に配置されてなる請求項１２に記載される屋外水の紫外線殺菌装置。
　前記外装ケース(3)が、複数の紫外線発光ダイオード(1)を固定している回路基板(6)と、円筒状の細長い紫外線ランプであるＵＶＣ光源(2)とを交互に並べて配置している請求項１２に記載される屋外水の紫外線殺菌装置。
　互いに同軸に配置されてなる、円筒状の外装ケース(23)と透光性を有する移送管(25)とを備え、前記外装ケース(23)の内側であって、前記移送管(25)の外側に複数の紫外線発光ダイオード(1)とＵＶＣ光源(2)を配置しており、前記移送管(25)で移送される屋外水(9)を殺菌するようにしてなる請求項１２に記載される屋外水の紫外線殺菌装置。
　前記移送管(25)に屋外水(9)を移送する循環器(28)を備え、移送管(25)を通過する屋外水(9)に紫外線を照射して屋外水(9)を殺菌する請求項１７に記載される屋外水の紫外線殺菌装置。
　前記円筒状の外装ケース(23)が内面に反射層(24)を有する請求項１８に記載される屋外水の紫外線殺菌装置。
　水に対する密閉性と防水性を備え、かつ紫外線発光ダイオード(1)から放射される紫外線を透過させる透明性のある容器(33)を備え、この容器(33)に複数の紫外線発光ダイオード(1)とＵＶＣ光源(2)を内蔵しており、屋外水(9)の液中に配置されて、屋外水(9)に紫外線を照射して殺菌するようにしてなる請求項５に記載される屋外水の紫外線殺菌装置。
　前記容器(33)が、石英ガラスである請求項２０に記載される屋外水の紫外線殺菌装置。
　前記容器(33)の内側に、紫外線発光ダイオード(1)とＵＶＣ光源(2)とを取り付けてなる固定筒(36)を有し、固定筒(36)の外側に、紫外線発光ダイオード(1)とＵＶＣ光源(2)とを固定してなる請求項２１に記載される屋外水の紫外線殺菌装置。
　前記固定筒(36)の外周面に反射層(34)を設けてなる請求項２２に記載される屋外水の紫外線殺菌装置。