JP5082050B2

JP5082050B2 - 電子線照射装置

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Publication number: JP5082050B2
Application number: JP2006264117A
Authority: JP
Inventors: 知行彦坂; 智強崎; 崇之鈴木; 史郎江口; 重勝佐藤; 橋本　　勲; 行夫岡本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2026-09-28
Also published as: JP2008082919A

Description

本発明は電子線照射装置に係り、特にプラスチック製の食品容器や包装材等の被照射物を、電子線で殺菌処理するのに好適な電子線照射装置に関する。

最近では、飲料や食品や医薬品、更には化粧品の充填にプラスチック製容器が多く用いられている。これらの容器は、内容物の充填前に、内部を滅菌処理して無菌状態にし、その後内容物を充填して密封を行っている。容器の滅菌処理は、設備が大掛かりとなる薬剤を用いるものに代え、電子線照射装置の電子線を用い、電子線により高速で搬送する容器の内外面を滅菌することが提案されている。

電子線照射装置には、例えば３００ｋｅＶ以上の高エネルギーの電子線或いは前記以下の低エネルギーの電子線を用いるものがあり、前者の装置は大型となる上、Ｘ線対策の大掛かりな放射線遮蔽を設ける必要があるのに対し、後者の装置はより小型化でき、搬送ライン中に殺菌工程を組み込むことができるために注目されてきている。

低エネルギーの電子線照射装置の例である特許文献１には、加速電圧５０ｋＶ以上５００ｋＶ以下で加速した電子を、被照射物の照射空間に照射し、照射空間内にあるガス分子に衝突させ、これによって散乱電子を発生させ、また被照射物に直接照射して反射電子及び２次電子を発生させ、電子線が直接照射されない被照射物の部分にも散乱電子や反射電子及び２次電子を照射し、被照射物の内外面を殺菌することが提案されている。

また、低エネルギーの電子線照射装置の別例である特許文献２には、電子を加速電圧２０〜１５０ｋＶで加速し、線量測定フィルムで測定した電子線吸収線量が５〜２００ｋＧｙとなる電子線を照射し、被照射物を十分に殺菌処理できるようにし、電子線を被照射物の表面で有効に作用させてエネルギー効率をより高くし、かつ被照射物に与える損傷も少なくすることが提案されている。

一方、電子線を照射する被照射物が、例えばプラスチック製ボトルの如く飲み口の細い容器の場合は、搬送手段によって横倒或いは立位姿勢で搬送し、電子線照射手段での電子線を照射する照射領域中を、回転しながら照射空間を通過させることで、容器の外面及び内面の全てに電子線を照射し、電子線照射手段の電子線の照射窓に至る直前位置から通過し終えるまでの間、回転付与手段で容器を自転させ、小型化を図りながら効率よく滅菌処理を行う電子線照射装置が提案されている（特許文献３及び４参照）。

ところで、電子線照射装置の電子線照射手段は、真空空間内に電子線発生部と加速部を有しており、電子線照射手段で所定の加速電圧で電子を加速し、電子線照射手段の電子線照射窓から加速した電子線を電子線照射室内に照射するものであり、通常大気圧である電子線照射室内で、高速搬送される容器等の被照射物に対する電子線の殺菌処理を行っている。

大気圧である電子線照射室内で、所定の加速電圧で加速した電子線で殺菌処理する場合、電子線のエネルギーを大きくするばかりでは、菌を効率的に殺菌できないことが明らかになってきている。この理由は、電子線による菌の殺菌は、主として菌のＤＮＡを破壊することで行われるが、電子線の電子エネルギーを用いると、菌の大きさによっては電子線が透過してしまい、殺菌効率が低下することによると言われている。

特開平６−１４２１６５号公報特開２００３−２２５２８７号公報特開平１０−２６８１００号公報特開平１１−１２１２号公報

上記した従来の電子線照射装置では、高速搬送されるプラスチック製ボトル等の被照射物の殺菌処理する際、電子線のエネルギーを単に大きくするだけでは、殺菌効率を向上させることができず、また電子線の加速電圧を上げると電源装置が大型化するし、Ｘ線に対する遮蔽も複雑となってしまう問題がある。

本発明の目的は、高速搬送される食品容器や包装材等の被照射物を殺菌処理する際、適切に滅菌処理ができて殺菌効果の優れ、しかも被照射物の劣化が少ない電子線照射装置を提供することにある。

本発明の電子線照射装置は、被照射物が搬送される電子線照射室部分に、電子線照射手段を内部に配置する電子線発生室を設け、前記電子線照射室と前記電子線照射室間を電子線照射窓部分で区画し、前記電子線照射手段からの電子線を電子線照射窓から照射して前記被照射物を電子線照射室内で滅菌処理する電子線照射装置であって、前記電子線照射窓部分に電子線が透過するグラファイトシートを取り付け、前記電子線照射室内は減圧手段にて１２Ｐａ〜１００００Ｐａの減圧状態を維持すると共に電子線量を４ｋＧｙ以上にし、前記電子線照射手段は加速電圧を７０〜１００ｋＶとしたことを特徴とする。

本発明のように電子線照射装置を構成すれば、負圧を維持した電子線照射室内で、加速電圧を１０〜１００ｋＶにした極めて低いエネルギーの電子線により、滅菌処理する被照射物を劣化させることもなく殺菌効率を大幅に向上できる。また、被照射物の生産ラインに組み込んで使用する電子線照射装置に使用する電源装置も小型ですむし、Ｘ線に対する遮蔽も簡素化できるため、経済的に製作することができる。

本発明の電子線照射装置は、被照射物が搬送される電子線照射室部分に電子線照射手段を設け、電子線により被照射物を電子線照射室内で滅菌処理するものである。そして、電子線照射室内は減圧手段にて減圧状態を維持させるもので、電子線照射手段は加速電圧を１０〜１００ｋＶとしている。

以下、本発明を適用する図１（ａ）、（ｂ）に示す回転搬送型の電子線照射装置を用いて説明する。この図１では、電子線で殺菌処理する被照射物となる容器の例として、プラスチック製ボトルで示している。中央に配置する照射処理槽１０の側面部に隣接して、前処理ラインに連なる前圧力調整槽２０と後処理ラインに連なる後圧力調整槽３０を配置し、一体に連結している。

各槽１０、２０、３０内には、駆動機構（図示せず）により同期させて矢印で示すように回転させる回転搬送体１１、２１、３１を回転可能に配置し、これによって各槽の外壁面との間に容器１を順に搬送する環状の搬送路を形成している。各回転搬送体１１、２１、３１は、その外面に容器１を保持して搬送する保持機構２を等間隔で多数設け、これによって容器１の前処理ラインから後処理ラインまでの間で、容器１が直立状態のまま順に円滑に受け渡しできる構成としている。

照射処理槽１０内は、内部を減圧するため耐圧の密封構造に構成し、この照射処理槽１０に真空排気装置１３を含む排気手段に連なる配管１４を接続し、搬送する容器１の周囲の雰囲気を、所定の負圧状態に維持している。しかも、図２に示す如く照射処理槽１０内の電子線照射室４４となる容器１の搬送路に対応する部分に、電源装置４５と接続する電子線の電子線照射手段４０を少なくとも一つ備えている。この電子線照射手段４０の電子線照射窓４３から、後述する加速電圧で加速した電子線を、減圧状態を維持した電子線照射室４４に向けて照射し、高速で搬送されてくる容器１を電子線で連続して滅菌処理をする。

照射処理槽１０内が減圧された状態にあると、電子線照射室４４内での電子線の減衰が大幅に軽減されるので、後述するような低い加速電圧で加速した低エネルギーの電子線であっても、大気中に比べて電子の飛程（飛行距離）が長くなり、しかも電子線の発散量が少なく、電子線での被照射物の容器１に対する照射滅菌が効果的に行える。

照射処理槽１０内の負圧状態を効果的に維持可能にして電子線の照射を良好に行えるようにするため、この開口容器搬入である前処理ライン側及び搬出側である後処理ラインに連なる前圧力調整槽２０と後圧力調整槽３０は、これら内の回転搬送体２１、３１に、それぞれ各保持機構２間を区分する隔壁３を突設している。これにより、回転搬送体２１、３１の回転移動時に、各保持機構２の両側の隔壁３と槽壁面との間で、小部屋となる複数の小区画２２、３２が形成される構造にしている。

しかも、前圧力調整槽２０側では、容器１を前工程ラインから取り込んだ位置から照射処理槽１０に移動する範囲に存在する複数の小区画２２を減圧するため、この範囲の壁面に、真空排気装置２３を含む排気手段に連なる配管２４の複数本を接続し、これによって容器１が、前工程ラインより前圧力調整槽２０に搬入されてから照射処理槽１０までの範囲の小区画２２は、大気圧から所望の負圧までの状態となる圧力調整範囲としている。また、後圧力調整槽３０側では、容器１を照射処理槽１０から後工程ラインの位置に移動する範囲に形成される小区画３２を減圧するため、同様にこの範囲の壁面に、真空排気装置３３を含む排気手段に連なる配管３４の複数本を接続し、これによって照射処理槽１０から後圧力調整槽３０の後工程ラインに容器１が搬出されるまでの範囲の小区画３２は、逆に所望の負圧から大気圧までの状態となる圧力調整範囲としている。

なお、前圧力調整槽２０や後圧力調整槽３０における小区画３２の減圧する範囲は、必要に応じて上記とは反対側、即ち前圧力調整槽２０においては照射処理槽１０から前工程ラインに移動する範囲の小区画３２と、後圧力調整槽３０においては照射処理槽１０から後工程ラインに移動する範囲の小区画３２とも、排気手段を設けて減圧することもできる。

小区画２２、３２を形成させるための各隔壁３は、図１（ｂ）に示すように各槽２０、３０の外壁との間に微小な間隙Ｇを有するように設けている。隔壁３は、照射処理槽１０から前圧力調整槽２０や後圧力調整槽３０の大気開放側の各範囲に、複数個存在することになる。このため、複数個の隔壁３が、ラビリンスシール構造の働きと同様になり、照射処理槽１０から大気圧の外部までの流路抵抗が大きくなるので、特別にシール等を使用することなく、照射処理槽１０の負圧状態を維持することができる。当然のことながら、照射処理槽１０に設ける排気手段の真空排気装置１３の容量は、漏れ量を見込んだ容量とすることで、照射処理槽１０内部を予め定めた負圧状態の範囲内に維持することができる。

また、照射処理槽１０や前圧力調整槽２０及び後圧力調整槽３０部分に、例えばドライポンプを用い、適切なフィルタを備えた清浄空気発生装置１５からの配管１６を接続し、内部に清浄空気を供給するように構成している。なお、清浄空気発生装置１５の代りに、電子線の照射が良好に行えるガス雰囲気にするため、窒素ガスやヘリウムガス等やこれらの混合ガスを供給する各種のガス供給装置を接続することができる。

上記の構成の電子線照射装置では、前工程ラインからの直立状態のまま前圧力調整槽２０に送り込まれる容器１は、順に前圧力調整槽２０から照射処理槽１０を経て、後圧力調整槽３０から後工程ラインに搬出されるが、途中の照射処理槽１０部分の負圧雰囲気内で、電子線照射手段４０からの電子線照射による滅菌処理を受ける。この際、前圧力調整槽２０内の回転搬送体２１が時計方向に回転すると、容器１の前工程ラインより前圧力調整槽２０への取り込み位置から、照射処理槽１０に近づく範囲に形成されて内部に開口容器３０を保持している小区画２２は、排気手段によって大気圧から少しずつ減圧された状態となり、照射処理槽１０内の回転搬送体１１に移動したときには、照射処理槽１０と略同じ負圧となる。

また逆に、後圧力調整槽３０内の回転搬送体３１が時計方向に回転し、容器１が照射処理槽１０から後工程ラインへの排出位置に近づく範囲に形成されて内部に開口容器３０を保持している小区画３２では、排気手段によって照射処理槽１０内の負圧状態から少しずつ大気圧に近づく状態になり、後工程ライン側に容器１を排出する時点では大気圧になる。

上記のように電子線照射装置を構成したので、照射処理槽１０と前圧力調整槽２０及び後圧力調整槽３０で、各槽内部の圧力管理を別個に適切に管理できるから、負圧に維持する照射処理槽１０内で、加速電圧が低くて低エネルギーの電子線照射手段４０を使用して、電子線による容器１の滅菌処理を効果的に行うことができる。

また、照射処理槽１０の上部に取り付ける各電子線照射手段４０は、例えば図２に示す如く高真空にする電子線発生室４１内に、少なくとも１つの電子線ユニット４２を配置している。電子線ユニット４２部分で発生して後述する低い加速電圧で加速した電子線ＥＢを、円形等に形成した電子線照射窓４３から、負圧状態に維持した下方の電子線照射室４４となる搬送路に向けて照射し、回転搬送体１１の各保持機構２に保持され、しかも自転しながら順に移動してくる容器１の内外面の滅菌処理を実施する。

電子線照射手段４０では、一般には電子線発生室４１と電子線照射室４４との間を区画する電子線照射窓４３部分に、電子線を透過する箔膜を配置し、しかも電子線を透過する箔膜を配置している。本発明の電子線照射装置では、以下に述べる発明者らの検討結果から、電子線照射手段４０はその加速電圧を１００ｋＶ以下にし、電子線を加速するようにしている。しかも、電子線照射窓４３の薄膜材料を適切に選定することで、電子線のエネルギーも１０から１００ｋeＶの如く著しく低くして容器１に照射し、滅菌処理することができる。

電子線照射窓４３の薄膜に、市販されている厚さ２５μｍのグラファイトシートを使用する場合、加速電圧７０ｋＶの電子線を被照射物に照射することができる。このグラファイトシートを電子線照射窓４３に用いた場合、電子線照射室４４となる搬送路の圧力と電子線の加速電圧を考慮して検討すると、電子線の線量と菌の生残率との関係は、図３に示すようになった。

この場合、電子線照射室４４となる搬送路の圧力を１２Ｐａとし、加速電圧７０ｋＶ或いは１００ｋＶの電子線を照射したとき、電子線の線量と菌の生残率との関係は、図３のように１２Ｐａ−７０ｋＶでは○印、比較例１の１２Ｐａ−１００ｋＶでは●印、比較例２の１００００Ｐａ−１００ｋＶでは▲印で示すようになった。

この図３から明らかなように、加速電圧７０ｋＶで電子線照射室４４の圧力が１２Ｐａ（○印）のときは、電子線を照射で滅菌の目安である初期菌数が百万分の一となる生残率の目標値（−６）の線量は、４ｋＧｙ以下であり、また、加速電圧が１００ｋＶで電子線照射室４４の圧力が１００００Ｐａ（▲印）では、初期菌数が百万分の一となる生残率の目標値（−６）の線量は、８ｋＧｙ以上となる。

これに対し、加速電圧が１００ｋＶで照射部（室）の圧力が１２Ｐａ（●印）のときは、初期菌数が百万分の一となる生残率の目標値（−６）の線量は、１０ｋＧｙ以上であって、γ線による殺菌効率と等しくなる。このように同一の加速電圧１００ｋＶで、殺菌効率が変わるのは、電子線照射室４４の圧力が１００００Ｐａのときは、電子線の殺菌効果に加えて、電子線により形成されたプラズマによる酸素ラジカルや窒素ラジカルの殺菌効果によるものと推定される。

一般に、被照射物の滅菌処理対象である菌の大きさは数μｍ程度であり、個体の表面に入射した電子が停滞するまでの距離である電子の飛程δ（μｍ）は、電子エネルギーをＥ（ｋｅＶ）、固体密度をρとすると、おおよそδ＝０．２Ｅ^２／ρで与えられる。このため、電子エネルギーが１０ｋｅＶであれば、菌の密度ρを単純化して水と同じ１とすると、電子の飛程δは２μｍとなる。したがって、電子エネルギー１０ｋｅＶの電子は、大きさ５から１０μｍ程度の菌を殺菌するのは不足であるが、大きさ２μｍ程度の菌を殺菌するのには最も効率がよくなる。このことから、電子エネルギーが大きすぎると、電子が菌を透過してしまうため、効率よく殺菌できず、逆に電子エネルギーが低すぎても菌の内部まで電子が届かず、同様に効率よく殺菌できないことになる。

電子線照射窓４３に配置する薄膜として用いるグラファイトシートに、加速電圧７０ｋＶで電子線を照射した場合、本発明者らの検討では、電子軌道とエネルギー分布のモンテカルロ解析結果から、グラファイトシートが厚さ２５μｍなら、１０から２０ｋｅＶのエネルギーをもった電子が多く透過することか判明した。この１０から２０ｋｅＶエネルギーの範囲の電子は、上記したように大きさ２から８μｍ程度の菌を効率よく殺菌することができる。

これに対し、比較例として示す加速電圧１００ｋＶで電子線を照射した場合、同様に電子軌道とエネルギー分布のモンテカルロ解析結果から、グラファイトシートが厚さ２５μｍなら、５０ｋｅＶ前後のエネルギーをもった電子が多く透過することになった。この５０ｋｅＶエネルギーの電子は、大きさ５０μｍ程度の菌なら効率よく殺菌するが、通常被照射物で殺菌する菌の大きさは数μｍ程度なので、電子が菌を透過してしまう割合が多く、殺菌効率は上記した加速電圧７０ｋＶに比べて下がってしまい、加速電圧１００ｋＶ以上の場合も同様の傾向となる。

本発明の電子線照射装置では、電子線発生室４１に電子線照射窓４３を設ける場合に、電子線照射手段４０の加速電圧を１００ｋＶ以下にしているので、電子線照射室４４内を移動する被照射物の容器１は、１０から２０ｋｅＶの極めて低いエネルギーの電子線により、効果的に滅菌処理することができる。

本発明の図４に示す電子線照射装置の例では、電子線照射手段４０の電子線発生室４１と、被照射物である容器１が移動する電子線照射室４４との間の電子線照射窓をなくし、これら両者間は差動排気を行って減圧し、容器１に電子線ＥＢを照射して滅菌処理を行う構造にしたものである。

このように、電子線照射手段４０と電子線照射室４４との間を差動排気する電子線照射装置の構造とするときには、陽極４２Ａと陰極４２Ｂ間に印加する加速電圧源４２Ｃの加速電圧を、１０〜２０ｋＶにすることができ、上記したような低エネルギーの電子線を、被照射物まで十分に到達させて滅菌処理が行えるし、Ｘ線の遮蔽材を全く使用せずに装置を構成することができる。

図２に示す電子線発生室４１の電子線照射窓４３に用いる薄膜の材質及び厚さを調節すれば、加速電圧１００ｋＶ以上としても、被照射物に照射される電子線のエネルギーが１０から１００ｋｅＶにでき、望ましくはエネルギーを１０から２０ｋｅＶの範囲にして照射すると、被照射物を適切に滅菌処理することができる。電子線照射手段４０は、加速電圧を上げるほど直流電源は大型化し、Ｘ線に対する遮蔽も大掛かりとなってしまい、Ｘ線に対する遮蔽材の使用量が飛躍的に増大するので、電子線照射窓４３に用いる薄膜の材質及び厚さを考慮し、加速電圧を適切に設定する。

上記した実施例では、被照射物である容器を、回転搬送体で搬送する構造の電子線照射装置の例で説明したが、本発明はこのような搬送構造に限ることなく、例えば被照射物を略直線状に搬送する構造の電子線照射室部分に電子線照射手段を設けるものに適用しても同様な効果を達成できることは明らかである。

本発明を適用する電子線照射装置の一実施例を示す概略図である。本発明を適用する電子線照射手段と電子線照射室部分の例を示す概略縦断面図である。電子線の線量と細菌の生残率との関係を説明するグラフである。本発明を適用する電子線照射装置の他の例を示す模式図である。

符号の説明

１…容器、４０…電子線照射手段、４３…電子線照射窓、４４…電子線照射室、４５…電源装置、Ｇ…間隙、ＥＢ…電子線。

Claims

被照射物が搬送される電子線照射室部分に、電子線照射手段を内部に配置する電子線発生室を設け、前記電子線照射室と前記電子線照射室間を電子線照射窓部分で区画し、前記電子線照射手段からの電子線を電子線照射窓から照射して前記被照射物を電子線照射室内で滅菌処理する電子線照射装置であって、前記電子線照射窓部分に電子線が透過するグラファイトシートを取り付け、前記電子線照射室内は減圧手段にて１２Ｐａ〜１００００Ｐａの減圧状態を維持すると共に電子線量を４ｋＧｙ以上にし、前記電子線照射手段は加速電圧を７０〜１００ｋＶとしたことを特徴とする電子線照射装置。