利用控制的氣體組合物在包裝內(nèi)部產(chǎn)生殺菌劑的制作方法
【專利說明】
[00011 本申請是基于申請日為2012年03月09日，申請?zhí)枮?01280022669.X(國際申請?zhí)?為PCT/US2012/028413)，發(fā)明名稱為"利用控制的氣體組合物在包裝內(nèi)部產(chǎn)生殺菌劑"的專 利申請的分案申請。
[0002] 本申請要求于2011年3月11日提交的美國臨時申請?zhí)?61/451,975的優(yōu)先權(quán)，其引 入本文作為參考，并且為美國申請12/861，106的部分繼續(xù)申請案，12/861，106提交于2010 年8月23日，其引入本文作為參考并且其為于2010年3月17日提交的美國【申請?zhí)枴?2/726, 〇97(現(xiàn)已放棄）的部分繼續(xù)申請案，，12/726,097要求于2010年2月22日提交的美國臨時申 請?zhí)?1/306，774的優(yōu)先權(quán)，和于2009年3月24日提交的US臨時申請?zhí)?1/162,785的優(yōu)先權(quán)， 其各自被引入本文作為參考。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本申請涉及使用反應(yīng)性氣體環(huán)境處理包裝產(chǎn)品使其減少來自病毒、細(xì)菌、酵母菌 和霉菌(其包括孢子和毒素）的不良污染，或用于其它處理的儀器和方法。
【背景技術(shù)】
[0004] 生物凈化和表面滅菌在整個社會中是至關(guān)重要的：在軍事上的應(yīng)用例如暴露在致 命生物制劑的儀器和設(shè)備的凈化，或在廣泛的民用領(lǐng)域，包括醫(yī)療應(yīng)用、食品生產(chǎn)和消費 品。目前在商業(yè)處理中使用化學(xué)、熱、高能量電子束、X射線或γ-射線照射系統(tǒng);但是，考慮 到成本、效率、不動性、電力要求、有毒廢物、個人危險和凈化項目所需要的時間，利用這些 系統(tǒng)可能不太實際。
[0005] 在過去的十年中，在使用大氣壓等離子體作為表面凈化方法中已進(jìn)行了大量的研 究。大氣壓等離子體具有產(chǎn)生獨特的輻射分解型的能力。研究表明，暴露在大氣壓等離子體 下的生物污染物可在幾秒鐘到幾分鐘內(nèi)滅菌。大氣壓等離子體相當(dāng)容易產(chǎn)生;并且，所需儀 器相對便宜。沒有危險廢物，以及氣態(tài)副產(chǎn)物為局部可控。到目前為止，大氣壓等離子體的 使用是通過密閉室和噴射口。
[0006] 大氣壓非平衡等離子體(ΑΝΕΡ)是非熱加工方法的例子。在生產(chǎn)該類等離子體的過 程中的術(shù)語中有寬泛的差異。文獻(xiàn)中，多種術(shù)語用于描述所述現(xiàn)象，其包括大氣壓輝光放 電、表面阻擋放電（SBD)、介質(zhì)阻擋放電(DBD)、單一介質(zhì)阻擋放電（SDBD)和表面等離子體化 學(xué)過程(SPCP)。為本文的方便，使用術(shù)語介質(zhì)阻擋放電(DBD)對本文技術(shù)進(jìn)行描述，但不排 除任何通過選擇特定術(shù)語表示的ΑΝΕΡ等離子體的產(chǎn)生機(jī)理。
[0007] 圖1顯示了DBD結(jié)構(gòu)的簡化示例，其可用于在周圍空氣環(huán)境中產(chǎn)生ΑΝΕΡ。高壓發(fā)生 器10施加交流電位至一對金屬板20、30,其彼此隔開形成區(qū)域50,將物體放置于該區(qū)域。將 至少一個介電層40置于第一板20和第二板30之間。通過該方式，所述介電層的效果是為了 限制板20、30之間形成的任何絲狀放電，從而防止高電流電弧的形成。因此，在能量上限制 了區(qū)域50的放電，導(dǎo)致了ΑΝΕΡ，其中從氣體(He、〇2、Ν2、⑶ 2和水蒸氣)和/或與包裝產(chǎn)品的相 互作用中可形成多種活性物質(zhì)。圖1A顯示的結(jié)構(gòu)為一個介電層40靠著電極20。圖1B顯示的 示例，其中介質(zhì)板40靠著電極20,另一個介質(zhì)板60靠著第二電極30。板上的電荷積累（其可 用于與電壓波形結(jié)合來評估功率損耗)可通過測定穿過常規(guī)電容器75產(chǎn)生的電壓來測得。 圖1C表明一種情況，其中將單個介電層50置于電極20、30之間，以致有兩個區(qū)域50,在其中 可產(chǎn)生ANEP。
[0008] 由于存在著在板20、30之間直接形成電弧的可能性(通過介質(zhì)周圍的空氣通路）， 在絕緣材料中至少有一個電極通常是完全閉合的;并且，所述暴露的電極可接地。絕緣材料 可使用與介質(zhì)40、60相同的材料;但是，所述的兩種材料可具有不同的性質(zhì)。例如，所述介質(zhì) 板可為石英而所述絕緣材料可為可塑材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明公開了處理物體的系統(tǒng)，其包括配置為使用在封閉儲存區(qū)中的工作氣體產(chǎn) 生大氣壓非平衡等離子體(ANEP)的儀器，該封閉儲存區(qū)的大小和尺寸被定制以包含待處理 物體。施加于所述工作氣體的電壓梯度可大于工作氣體的電離電壓梯度的約1.4倍。
[0010] 在一方面，所述ANEP柱長度大于約2.0cm。在另一方面，施加于該儀器電極的所述 電壓可大于約50kV RMS。
[0011 ] 根據(jù)所處理的具體物體，所述工作氣體可選自空氣、〇2、N2、C02、He、Ar，或這些氣體 的組合。所述物體可置于ANEP柱內(nèi)部或外部。
[0012] 這個技術(shù)在密閉包裝中產(chǎn)生活性氣體物質(zhì)。如果所述包裝由低滲透膜設(shè)計的，則 可實現(xiàn)產(chǎn)生的活性氣體物質(zhì)和所述物體接觸時間為若干分鐘至數(shù)小時，導(dǎo)致病理微生物物 質(zhì)極大減少。所述技術(shù)可用于處理物體，其中所需的效果是電離的物質(zhì)與表面污染物或與 所述表面的反應(yīng)。
[0013] 用作包裝的許多常見的包裝材料在這個技術(shù)中很好地適用，其包括:LDPE、HDPE、 PP、PET、紙板、牛皮紙、TYVEK (高密度聚乙烯纖維)和玻璃。
[0014] 公開的處理物體的方法包括以下步驟:提供介質(zhì)阻擋放電(DBD)裝置;提供適用于 基本上完全包圍所述物體的包裝;將所述物體插入到包裝中；在基本上大氣壓下，將包裝中 填充工作氣體;相對DBD裝置設(shè)置部分的包裝，使得活性物質(zhì)通過DBD裝置在包裝中產(chǎn)生;和 通過施加電壓梯度在第一時間段激活DBD裝置。
[0015] 施加于DBD裝置的所述電壓梯度約大于工作氣體電離電壓梯度的1.4倍。在一方 面，第一時間段可小于約15秒。在另一方面，第一時間段可小于約60秒。所述物體可被保留 在處理區(qū)內(nèi)保持第二時間段，以便所產(chǎn)生的活性物質(zhì)與所處理的物體相互作用。
[0016] 在一方面，所述容器可被操作以使得活性物質(zhì)更加均勻地施加至被處理物上。
[0017] 附圖簡述
[0018] 圖1(現(xiàn)有技術(shù))顯示：（A)DBD儀器，其具有單一介質(zhì)阻擋；（B)DBD儀器，其具有兩個 介質(zhì)阻擋和一個輔助電容器用來測量DBD電荷；和，（C)DBD儀器，其中介質(zhì)置于兩個導(dǎo)電板 之間；
[0019]圖2顯示：（A)-部分DBD儀器，其中容器內(nèi)有置于儀器板間的待處理物；（B)-部分 DBD儀器，其中容器內(nèi)有置于儀器板間的待處理物，使得所述待處理物不在儀器的板之間； 和，（C)圖2A的部分儀器俯視圖；
[0020]圖3顯示使用PK-1DBD電離系統(tǒng)（13.5kV RMS)產(chǎn)生的氣體濃度數(shù)據(jù)；
[0021]圖4顯示使用PK-2DBD電離系統(tǒng)(80kV RMS)產(chǎn)生的氣體濃度數(shù)據(jù)；
[0022]圖5顯示由于使用PK-1DBD電離系統(tǒng)（13.5kV RMS)處理導(dǎo)致的孢子減少的數(shù)據(jù);和 [0023]圖6顯示使用PK-2DBD電離系統(tǒng)(80kV RMS)產(chǎn)生的孢子減少的數(shù)據(jù)。
[0024] 發(fā)明詳述
[0025] 參考附圖可更好的理解示例性實施方案。在相同或不同附圖中類似編號的元素執(zhí) 行類似的功能。
[0026] 為了清楚起見，并非所述實例的所有常規(guī)特征都在本文中進(jìn)行描述。當(dāng)然可以理 解，在任何該實際操作的發(fā)展過程中，許多具體執(zhí)行的決定必須以實現(xiàn)開發(fā)者具體目標(biāo)來 制定，例如系統(tǒng)的考察、監(jiān)管和商業(yè)相關(guān)的制約。這些目標(biāo)將根據(jù)不同的執(zhí)行變化。
[0027]大氣壓"冷"等離子體已被證實在減少或消除食物樣品的表面細(xì)菌污染中是有效 的。術(shù)語"冷等離子體"旨在描述等離子體放電，其可為非平衡等離子體，其發(fā)生在約一個大 氣壓下并且接近環(huán)境溫度(ANEP)。這是為了區(qū)分所述ANEP等離子體與熱等離子體放電，該 熱等離子體放電在高于環(huán)境溫度幾百或幾千度的整體氣體溫度下進(jìn)行操作。在大氣壓下 "冷等離子體"中，電子相比于離子和中性物質(zhì)，可具有顯著更高的溫度;但是，所述工作氣 體的整體溫度相對于環(huán)境溫度沒有顯著增加。在本文中，術(shù)語"冷"不應(yīng)該被解釋為需要冷 凍或其它冷卻來實施本文中所描述的凈化或處理功能;但是，這并不排除在適當(dāng)?shù)臏囟?其 可包括冷藏或冷卻）對被處理物進(jìn)行處理或隨后的存儲。保持所述氣體在接近環(huán)境的溫度 可有助于避免被處理物的熱損傷。
[0028] 產(chǎn)生大氣壓非平衡等離子體的一個技術(shù)是施加高壓至待電離區(qū)，同時通過限制放 電電流抑制從輝光放電到電弧放電的轉(zhuǎn)變。這可通過以下實現(xiàn)，例如，通過用介電層將所述 儀器的至少一個電極覆蓋；電阻層也被使用。所述放電電流通過在介質(zhì)表面積累的電荷而 進(jìn)行自限。通常，激勵電壓頻率是在kHz范圍，但可能從電力線頻率至射頻范圍內(nèi)。由高壓變 壓器的可得性，本文所提出的實驗數(shù)據(jù)使用的是60Hz的頻率，該變壓器輸出電壓可很容易 地通過使用可變變壓器控制其輸入電壓而進(jìn)行調(diào)整。
[0029] 介質(zhì)阻擋放電（DBD)是一類交流電高壓氣體放電，其可在標(biāo)稱的大氣壓環(huán)境下形 成。電極間介電層的存在阻止通過放電在氣體中產(chǎn)生的電荷到達(dá)至少一個導(dǎo)電電極表面。 通常將所述介電層應(yīng)用于兩個電極。在激勵電壓波形的每個半周期內(nèi)，當(dāng)施加穿過氣體的 電壓梯度超過擊穿所需的電壓，所形成的狹窄電離放電絲開始將電子傳導(dǎo)向更正的電極， 而離子則傳導(dǎo)向更負(fù)的電極，盡管電子的移動性大于離子的移動性。電荷積聚在各電離絲 末端的介電層上;并且，穿過電離絲的電壓降減少直到電壓降到低于放電維持水平，使得放 電消失。絲狀放電的持續(xù)時間被認(rèn)為是相當(dāng)短的：約100納秒或更少。但是，生成的活性物質(zhì) 可具有顯著更長的壽命。沿介質(zhì)表面的低電荷移動性也限制了間隙電壓減弱的外側(cè)區(qū)，因 此可形成彼此靠近的很多絲。
[0030] 當(dāng)在具體電壓、頻率和幾何構(gòu)型操作時，在兩電極間發(fā)生了在DBD中臭氧和其它活 性物質(zhì)的生成。在空氣、〇2和犯的混合物或單獨的0 2中，產(chǎn)生活性氧物質(zhì)，其彼此相互反應(yīng)且 與氧分子反應(yīng)，導(dǎo)致了臭氧的形成。當(dāng)犯或其它氣體例如C02、H 20或C1存在時，生成其它活性 物質(zhì)?？諝夂脱鯕庵械淖罹哐趸晕镔|(zhì)包括臭氧(〇3)、單線態(tài)氧(0或(Π 、超氧化物((V)、過 氧化物(〇2_2或Η2〇2)和羥自由基(0Η)。大多數(shù)這些物質(zhì)有很短的半衰期（以毫秒為單位的范 圍）；但是，臭氧有更長的半衰期，根據(jù)條件其范圍從幾分鐘至幾天。氣態(tài)臭氧對食物的影響 在前期研究中已得到良好的結(jié)果，且相比于更標(biāo)準(zhǔn)的衛(wèi)生消毒劑(包括氯），臭氧已被證實 在較低濃度和處理時間上更有效。目前，臭氧的使用被限制在對