東 京 大 学 AGS 研 究 2011 年 年 次 報 告 会 空 調 システムにおけるマイクロ 波 の 微 生 物 制 御 に 関 する 研 究 マイクロ 波 による 微 生 物 の 殺 菌 加 藤 信 介
はじめに 空 調 システム 内 の 微 生 物 による 汚 染 空 調 システムは 温 湿 度 調 節 及 び 良 好 な 室 内 空 気 質 を 維 持 する ダクト 加 湿 器 フィルター 等 の 空 調 設 備 の 不 適 切 な 管 理 によって 真 菌 及 び 細 菌 などの 微 生 物 による 汚 染 が 進 行 し その 微 生 物 が 建 物 全 体 に 放 散 する 可 能 性 が 指 摘 されている その 中 でも 冷 却 コイルや 気 化 式 加 湿 器 は 常 に 多 湿 な 状 態 であるため 真 菌 及 び 細 菌 に 汚 染 されやすい 空 調 設 備 の1つである 空 調 システムの 空 気 搬 送 系 における 真 菌 細 菌 による 汚 染 は 過 敏 性 肺 炎 などの 原 因 になるほか 居 住 者 の 健 康 に 悪 影 響 を 与 えることが 知 られている 図 1. 空 調 システムの 概 要
はじめに 有 害 微 生 物 に 対 する 殺 菌 方 法 これまで 紫 外 線 殺 菌 装 置 による 表 面 付 着 菌 の 殺 菌 法 エアフィルタによる 有 害 微 生 物 粒 子 の 除 去 法 オゾンによる 殺 菌 法 などが 提 案 されて 来 ている 空 調 システム 内 の 微 生 物 を 対 象 としたマイクロ 波 の 殺 菌 性 能 を 検 討 した 事 例 は 少 ない 紫 外 線 による 殺 菌 効 果 空 調 機 内 部 で 恒 に 液 水 に 晒 される 気 化 式 加 湿 器 エ レメントは 微 生 物 汚 染 のリスクが 高 く その 対 策 が 急 がれている これに 紫 外 線 を 照 射 し 殺 菌 を 行 った 結 果 表 面 では 殺 菌 効 果 があった a) 稼 働 前 b) UVGI 稼 働 中 c) 稼 働 後 図 2. UVGI 装 置 稼 働 前 後 のエレメント 表 面 の 変 化 図 3. 加 湿 エレメント 内 部 の 状 態 しかし エレメントの 内 部 までは 殺 菌 効 果 が なかったため 内 部 への 浸 透 が 期 待 できるマイク ロ 波 を 用 いた 殺 菌 法 を 検 討 する マイクロ 波 発 生 装 置 を 用 いて 基 礎 実 験 により 殺 菌 効 果 及 び 殺 菌 原 理 を 明 らかにした
研 究 の 内 容 研 究 目 的 空 調 システム 内 の 微 生 物 に 起 因 する 室 内 空 気 汚 染 が 居 住 者 の 健 康 に 悪 影 響 を 与 えることを 防 ぐため マイクロ 波 を 用 いて 微 生 物 汚 染 のリスクの 高 い 空 調 用 部 位 として 気 化 式 加 湿 器 のエレメントでの 微 生 物 汚 染 の 制 御 方 法 を 検 討 し 提 案 1.マイクロ 波 の 殺 菌 可 能 性 の 検 討 電 子 レンジを 用 いた 微 生 物 殺 菌 の 可 能 性 検 討 マイクロ 波 の 照 射 出 力 照 射 時 間 水 分 の 有 無 による 殺 菌 効 果 と 温 度 変 化 測 定 2.マイクロ 波 加 熱 と 熱 加 熱 の 殺 菌 効 果 の 比 較 マイクロ 波 発 生 装 置 を 用 いたマイクロ 波 加 熱 と 熱 加 熱 の 殺 菌 効 果 の 比 較 マイクロ 波 の 照 射 (150 W~1050 W 出 力 )による 温 度 変 化 の 測 定 マイクロ 波 の 照 射 と 非 マイクロ 波 加 熱 による 殺 菌 効 果 の 比 較 マイクロ 波 非 マイクロ 波 ( 熱 ) マイクロ 波 による 殺 菌 効 果 の 測 定 50 以 下 温 度 による 殺 菌 効 果 温 度 変 化 による 殺 菌 効 果 の 測 定 50~80 温 度 による 殺 菌 効 果 実 大 実 験
マイクロ 波 の 殺 菌 可 能 性 の 検 討 1.マイクロ 波 の 照 射 出 力 2.マイクロ 波 の 照 射 時 間 3. 水 分 の 有 無 による 殺 菌 効 果 及 び 温 度 変 化 の 測 定
電 子 レンジを 用 いたマイクロ 波 の 殺 菌 可 能 性 の 検 討 - 実 験 条 件 - 実 験 内 容 -マイクロ 波 の 照 射 出 力 ( 高 中 低 出 力 )による 殺 菌 効 果 と 温 度 測 定 ( 乾 燥 条 件 と 非 乾 燥 条 件 ) -マイクロ 波 の 照 射 時 間 による 殺 菌 効 果 及 び 温 度 測 定 ( 乾 燥 条 件 及 び 非 乾 燥 条 件 ) - 光 ファイバー 温 度 計 を 用 いた 温 度 変 化 の 測 定 実 験 条 件 図 4.GF/Fフィルターの 乾 燥 表 1.マイクロ 波 照 射 の 条 件 項 目 条 件 電 子 レンジの 出 力 100 W 500W 1000W 照 射 時 間 5 秒 10 秒 20 秒 40 秒 60 秒 水 分 有 無 GF/F フィルターの 乾 燥 と 非 乾 燥 図 5.フィルター 表 面 温 度 の 測 定 フィルターの 表 面 温 度 測 定 - 光 ファイバー 温 度 計 (Neoptix Reflex TM ) 殺 菌 率 (%) = (1-T/C) 100 T : マイクロ 波 照 射 後 のコロニー 数 C : コントロー ルのコロニー 数 マイクロ 波 照 射 のために 市 販 の 電 子 レンジを 用 いてマイクロ 波 の 照 射 強 度 及 び 照 射 時 間 水 分 有 無 による 温 度 変 化 及 び 真 菌 の 胞 子 と 細 菌 の 殺 菌 を 確 認
電 子 レンジを 用 いたマイクロ 波 の 殺 菌 可 能 性 の 検 討 - 試 験 菌 - 表 2. 試 験 菌 の 種 類 真 菌 分 類 胞 子 胞 子 菌 株 Cladosporium herbarum NBRC31006 Fusarium solani NBRC30964 細 菌 内 生 胞 子 Bacillus subtilis NBRC3215 真 菌 の 胞 子 細 菌 0.16 0.12 y = 2 10-8 x - 0.0014 R² = 0.9987 OD 600nm 0.08 0.04 C. herbarum NBRC31006 F. solani NBRC30964 B. subtilis NBRC3215 0 0.0E+00 2.0E+06 4.0E+06 6.0E+06 8.0E+06 1.0E+07 CFU/ml - 培 養 条 件 :25 5 日 間 培 養 - 培 地 :PDA (Potato Dextrose Agar) - 細 胞 濃 度 定 量 :Hemacytometer 約 10 6 cells ml -1 - 培 養 条 件 :35 2 日 間 培 養 - 培 地 :NB (Nutrient Broth) - 細 胞 濃 度 定 量 :OD(Optical density) 法 約 10 6 cells ml -1
電 子 レンジを 用 いたマイクロ 波 の 殺 菌 可 能 性 の 検 討 - 実 験 方 法 - 菌 の 準 備 対 象 菌 100μL 接 種 室 温 1 時 間 乾 燥 マイクロ 波 の 照 射 乾 燥 非 乾 燥 C. herbarum F. solani B. subtilis 乾 燥 しない 出 力 :100 W, 500W, 1000W 照 射 時 間 :5, 10, 20, 40, 60 秒 結 果 確 認 培 養 培 地 に 塗 抹 混 ぜる C. herbarum F. solani 3 日 間 フィルター B. subtilis 24 時 間 コロニー 計 数 0.1%Tween buffer 図 6.マイクロ 波 の 照 射 による 殺 菌 性 能 の 実 験 課 程
電 子 レンジを 用 いたマイクロ 波 の 殺 菌 可 能 性 の 検 討 - 殺 菌 効 果 - (a) C. herbarum NBRC31006 (CFU ml -1 ) Cladosporium herbarum 10 5 10 4 10 3 10 2 10 1 10 0 0 10 20 30 40 50 60 Time(sec) (b) 10 5 F. solani NBRC30964 (CFU ml -1 ) 10 4 10 3 10 2 10 1 Fusarium solani 10 0 0 10 20 30 40 50 60 Time(sec) (c) B. subtillis NBRC3215 (CFU ml -1 ) 10 5 10 4 10 3 10 2 10 1 Bacillus subtilis 10 0 0 10 20 30 40 50 60 Time (sec) 100W dry 500W dry 1000W dry 100W wet 500W wet 1000W wet Control 5sec 10sec 20sec 40sec 60sec Control 5sec 10sec 20sec 40sec 60sec Control 10sec 20sec 40sec 60sec 100W Dry 100W Wet 500W Dry 500W Wet 100W Dry 100W Wet 500W Dry 500W Wet 100W Dry 100W Wet 500W Dry 500W Wet 1000W Dry 1000W Wet 1000W Dry 1000W Wet 図 7.マイクロ 波 の 照 射 出 力 と 照 射 時 間 による 殺 菌 効 果 1000W Dry 1000W Wet
電 子 レンジを 用 いたマイクロ 波 の 殺 菌 可 能 性 の 検 討 - 殺 菌 効 果 - 表 3.マイクロ 波 の 出 力 によるフィルターの 表 面 温 度 及 び 殺 菌 効 果 区 分 温 度 ( ) 殺 菌 効 果 (%) 出 力 500W C. herbarum F. solani B. subtilis 状 態 Dry Wet Dry Wet Dry Wet Dry Wet 時 間 0 秒 30.1 29.7 - - - - - - 10 秒 31.5 30.3 22.5 63.1 7.0 23.9 30.7 51.0 20 秒 35.0 36.1 74.8 91.3 19.3 85.5 71.9 99.1 40 秒 40.8 44.3 99.2 100 17.0 100 100 100 60 秒 45.2 56.8 100 100 100 100 99.9 100 区 分 温 度 ( ) 殺 菌 効 果 (%) 出 力 1000W C. herbarum F. solani B. subtilis 状 態 Dry Wet Dry Wet Dry Wet Dry Wet 時 間 0 秒 30.1 28.7 - - - - - - 10 秒 36.5 36.0 76.7 71.8 19.3 1.4 41.1 72.0 20 秒 46.8 50.9 100 100 100 100 99.5 100 40 秒 53.0 62.5 100 100 100 100 100 100 60 秒 55.0 66.5 100 100 100 100 100 100
マイクロ 波 加 熱 及 び 非 マイクロ 波 加 熱 の 殺 菌 効 果 の 比 較 1.マイクロ 波 の 加 熱 2. 非 マイクロ 波 の 加 熱 殺 菌 効 果 の 比 較
マイクロ 波 加 熱 と 非 マイクロ 波 加 熱 の 殺 菌 効 果 比 較 ( 実 験 条 件 ) 実 験 目 的 :マイクロ 波 加 熱 と 非 マイクロ 波 加 熱 の 殺 菌 効 果 の 比 較 実 験 内 容 :マイクロ 波 の 照 射 (150 W~1050 W:7 段 階 出 力 )による 温 度 変 化 及 び 殺 菌 効 果 の 測 定 ガラス 試 験 管 光 ファイバー 温 度 センサー 表 4.マイクロ 波 照 射 の 条 件 項 目 条 件 マイクロ 波 の 周 波 数 2.45 GHz 図 8.マイクロ 波 発 生 装 置 と 温 度 測 定 マイクロ 波 の 出 力 照 射 時 間 試 験 菌 容 積 150 W~1500 W 10 段 階 調 節 可 能 5 秒 Fusarium solani NBRC30964 Cladosporium herbarum NBRC31006 Bacillus subtilis NBRC3215 ガラス 試 験 管 2.5 ml 温 度 測 定 光 ファイバー 温 度 計 (Neoptix Reflex TM )
マイクロ 波 加 熱 と 熱 加 熱 の 殺 菌 効 果 比 較 - 実 験 方 法 - マイクロ 波 0.9% NaCl Solution 菌 株 の 接 種 菌 株 をマイクロ 波 照 射 培 養 熱 0.9% NaCl Solutionをマイクロ 波 照 射 して 温 度 を 上 げる 菌 株 の 接 種 培 養 図 9.マイクロ 波 加 熱 と 熱 加 熱 による 殺 菌 効 果 の 比 較 の 実 験 方 法
マイクロ 波 加 熱 と 非 マイクロ 波 加 熱 の 殺 菌 効 果 比 較 - 実 験 結 果 - マイクロ 波 の 照 射 (150 W~1050W:7 段 階 出 力 )による 温 度 変 化 85 75 5 秒 間 マイクロ 波 照 射 表 5.マイクロ 波 の 出 力 による 温 度 変 化 出 力 (W) 照 射 時 間 (sec) 温 度 ( ) Temperature( ) 65 55 45 35 25 Power 1 (150W) Power 2 (300W) Power 3 (450W) Power 4 (600W) Power 5 (750W) Power 6 (900W) Power 7(1050W) 照 射 前 0sec 29.5 150W 5sec 40.6 300W 5sec 44.0 450W 5sec 50.7 600W 5sec 55.1 15 0 5 10 15 20 25 30 Time(sec) 750W 5sec 62.0 900W 5sec 66.3 図 10.マイクロ 波 の 出 力 による 温 度 変 化 1050W 5sec 71.5 それぞれ150W~1050W7 段 階 の 出 力 で5 秒 マイクロ 波 照 射 し 150W 出 力 差 で 約 5 の 温 度 差 を 示 す
マイクロ 波 加 熱 と 非 マイクロ 波 加 熱 の 殺 菌 効 果 比 較 - 実 験 結 果 - マイクロ 波 Cladosporium herbarum 熱 マイクロ 波 Fusarium solani 熱 マイクロ 波 Bacillus subtilis 熱 Control 150 W 300 W 450 W 600 W 750 W 900 W 1050 W マイクロ 波 加 熱 と 非 マイクロ 波 加 熱 殺 菌 効 果 の 間 に 差 が 見 られなかった B. subtilis >F. solani >C. herbarum の 順 番 で 熱 に 強 いと 考 えられる
マイクロ 波 加 熱 と 非 マイクロ 波 加 熱 の 殺 菌 率 比 較 Microwave Heat sterility (%) Temperatuer ( ) Cladosporium herbarum NBRC31006 Output AVERAGE STDEV AVERAGE STDEV Microwave Heat Average max Control 14987 1929 29.52 150W 14880 3472 14987 2665 0.7% 0.0% 40.62 300W 8693 489 13067 2567 42.0% 12.8% 43.98 450W 2973 2841 2160 1808 80.2% 85.6% 50.71 600W 5sec 0 0 33 58 100.0% 99.8% 55.12 750W 0 0 0 0 100.0% 100.0% 61.98 900W 0 0 0 0 100.0% 100.0% 65.11 1050W 0 0 0 0 100.0% 100.0% 71.52 Fusarium solani NBRC30964 Output AVERAGE STDEV AVERAGE STDEV Microwave Heat Average max Control 19573 1089 29.52 150W 18720 577 14987 2665 4.4% 23.4% 40.62 300W 17760 1250 13067 2567 9.3% 33.2% 43.98 450W 10827 403 2160 1808 44.7% 89.0% 50.71 600W 7093 5871 33 58 63.8% 99.8% 55.12 750W 5sec 0 0 0 0 100.0% 100.0% 61.98 900W 0 0 0 0 100.0% 100.0% 65.11 1050W 0 0 0 0 100.0% 100.0% 71.52 Bacillus subtillis NBRC3215 55 以 上 条 件 で99% 以 上 の 殺 菌 効 果 を 示 す 60 以 上 条 件 で99% 以 上 の 殺 菌 効 果 を 示 す Output AVERAGE STDEV AVERAGE STDEV Microwave Heat Average max Control 59307 1611 29.52 150W 56693 2013 56000 3487 4.4% 5.6% 40.62 300W 56000 1154 52373 2396 5.6% 11.7% 43.98 450W 46560 3148 40853 6168 21.5% 31.1% 50.71 600W 20107 6064 11040 7966 66.1% 81.4% 55.12 750W 6633 5006 873 378 88.8% 98.5% 61.98 900W 5sec 27 12 40 40 100.0% 99.9% 65.11 1050W 20 0 33 23 100.0% 99.9% 71.52 65 以 上 条 件 で99% 以 上 の 殺 菌 効 果 を 示 す
50 以 下 温 度 維 持 条 件 のマイクロ 波 照 射 による 殺 菌 効 果 殺 菌 効 果 が 高 くなかった 温 度 条 件 を 維 持 し マイクロ 波 照 射 時 間 を 増 やす 低 出 力 の150Wと300Wのマイクロ 波 を 用 いて50 以 下 温 度 維 持 し 温 度 変 化 と 真 菌 の 胞 子 と 殺 菌 効 果 を 測 定 した -150Wのマイクロ 波 を400 秒 に1 回 5 秒 照 射 し 45 以 下 温 度 維 持 が 可 能 -300Wのマイクロ 波 を400 秒 に1 回 5 秒 照 射 し 50 以 下 温 度 維 持 が 可 能 表 6.マイクロ 波 照 射 の 条 件 項 目 条 件 75 65 マイクロ 波 の 出 力 マイクロ 波 の 照 射 試 験 菌 容 積 150 W 300 W 400 秒 間 隔 にマイクロ 波 5 秒 間 照 射 Fusarium solani NBRC30964 ガラス 試 験 管 2.5 ml 温 度 測 定 光 ファイバー 温 度 計 (Neoptix Reflex TM ) 表 7.マイクロ 波 の 出 力 による 温 度 変 化 出 力 (W) 照 射 時 間 (sec) 照 射 回 数 ( 回 ) 温 度 ( ) Temperature( ) 1 回 2~6 回 55 45 35 25 15 0 400 800 1200 1600 Time(sec) AVERAGE Fusarium solani STDEV Control 0sec 26.93 16000 423 Power 1 (150W) Power 2 (300W) Power 3 (450W) Power 4 (600W) 図 11.マイクロ 波 の 出 力 による 温 度 変 化 sterility (%) 150W 5sec 6 回 38.89 42.92~43.27 15253 244 4.7% 300W 5sec 6 回 41.91 47.45~50.27 9600 320 40.0%
50 ~80 温 度 条 件 のマイクロ 波 照 射 による 殺 菌 効 果 殺 菌 が 可 能 である 温 度 の 測 定 温 度 変 化 による 殺 菌 効 果 の 測 定 - 低 出 力 150Wのマイクロ 波 を10 秒 15 秒 20 秒 25 秒 照 射 し 50 60 70 80 温 度 設 定 が 可 能 -マイクロ 波 の 同 じ 出 力 による 違 う 温 度 条 件 CFU ml -1 Fusarium solani NBRC30964 1.00E+05 95 非 マイクロ 波 85 1.00E+04 75 マイクロ 波 65 1.00E+03 温 度 55 45 1.00E+02 35 25 1.00E+01 15 0 5 10 15 20 25 Time(sec) 表 8. 温 度 変 化 による 殺 菌 効 果 出 力 (W) 照 射 時 間 (sec) 温 度 Range ( ) Average max min Temperature( ) CFU ml -1 1.00E+06 1.00E+05 1.00E+04 1.00E+03 1.00E+02 Bacillus subtilis NBRC3215 1.00E+01 15 0 5 10 15 20 25 Time(sec) 図 12. 150W 出 力 の 照 射 時 間 による 殺 菌 効 果 と 温 度 変 化 max Fusarium solani マイクロ 波 非 マイクロ 波 温 度 95 85 75 65 55 45 35 25 Bacilus subtillis Microwave Heat Microwave Heat AVERAGE STDEV Sterility (%) AVERAGE STDEV sterility (%) AVERAGE STDEV 0sec 27.88 16,000 423 68,267 29084 STDEV Temperature( ) AVERAGE STDEV Sterility (%) 150W 10sec 50.15 49.27 51.26 12747 333 20.3% 16107 1065-0.7% 39253 15040 42.5% 48160 1760 29.5% 15sec 61.22 59.85 62.55 193 284 98.8% 60 60 99.6% 133 81 99.8% 213 76 99.7% 20sec 71.22 69.72 71.33 0 100.0% 0 100.0% 33 12 100.0% 40 20 99.9% 25sec 79.76 79.88 79.7 0 100.0% 0 100.0% 13 12 100.0% 13 12 100.0%
菌 濃 度 による 殺 菌 効 果 菌 濃 度 による 殺 菌 効 果 の 測 定 - 菌 株 の 濃 度 (10 4 10 5 10 6 10 7 cell ml -1 ) 条 件 750W 900Wのマイクロ 波 出 力 を5 秒 間 照 射 表 9. 菌 濃 度 (10 4, 10 5, 10 6, 10 7 cell ml -1 )による 殺 菌 効 果 照 射 出 力 (W) 照 射 時 間 (sec) 温 度 ( ) 濃 度 (cell ml -1 ) AVERAGE Fusarium solani STDEV sterility (%) AVERAGE Bacillus subtilis STDEV sterility (%) 10 4 0 0 100% 0 0 100% 750W 5sec 61.98 10 5 0 0 100% 27 31 100% 10 6 60 104 100% 300 164 100% 10 7 53 92 100% 56960 44208 99.4% 照 射 出 力 (W) 照 射 時 間 (sec) 温 度 ( ) 濃 度 (cell ml -1 ) AVERAGE Fusarium solani STDEV sterility (%) AVERAGE Bacillus subtilis STDEV sterility (%) 10 4 0 0 100% 7 12 99.9% 900W 5sec 66.27 10 5 0 0 100% 7 12 100% 10 6 0 0 100% 140 0 100% 10 7 0 0 100% 1060 0 100%
マイクロ 波 の 吸 収 率 測 定 材 料 のマイクロ 波 の 吸 収 率 測 定 65 Temperature( ) 55 45 35 25 0.9% NaCl solution Cladosporium Fusarium Bacillus Air Filter 15 0 10 20 30 40 50 60 Time(sec) 図 13. 450Wマイクロ 波 照 射 による 材 料 の 温 度 変 化 表 10. 材 料 のマイクロ 波 の 吸 収 率 及 び 温 度 変 化 出 力 (Watt) 照 射 時 間 (sec) 材 料 反 射 率 % in out 吸 収 率 % 温 度 ( ) 450W 5sec 0.9% 食 塩 水 100 75 25 50.8 Cladosporium (10 7 cell ml -1 ) 100 74 26 51.9 Fusarium (10 7 cell ml -1 ) 100 75 25 51.8 Bacillus (10 7 cell ml -1 ) 100 75 25 50.7 空 気 100 93 7 34.3 加 湿 器 エレメント 100 90 10 37.2
まとめ 1) マイクロ 波 による 真 菌 胞 子 及 び 細 菌 の 殺 菌 可 能 性 を 確 認 した 水 分 がある 場 合 乾 燥 条 件 より 殺 菌 効 果 が 高 かった 対 象 菌 が 生 存 可 能 な 比 較 的 低 い 温 度 でも99%の 高 い 殺 菌 効 果 が 確 認 できた 2) マイクロ 波 加 熱 と 非 マイクロ 波 加 熱 殺 菌 効 果 の 間 に 差 が 見 られなかった 約 50 C 以 下 の 温 度 条 件 ではマイクロ 波 の 照 射 回 数 を 増 やしても 真 菌 胞 子 と 細 菌 の 殺 菌 効 果 は 見 られな かったが 約 60 C 以 上 の 温 度 条 件 は 真 菌 胞 子 及 び 細 菌 に 対 する 殺 菌 効 果 が 見 られた 真 菌 胞 子 と 細 菌 のマイクロ 波 殺 菌 効 果 は 主 に 熱 の 影 響 が 大 きいと 考 えられる 3) エレメントより 試 験 菌 の 懸 濁 液 が 高 いマイクロ 波 吸 収 率 を 示 した 懸 濁 液 と 生 理 食 塩 水 の 吸 収 率 の 差 が 見 られなかった 今 後 空 調 システム 用 加 湿 器 のマイクロ 波 殺 菌 の 実 用 化 に 関 する 実 験 として 実 大 実 験 装 置 を 製 作 し 加 湿 器 エレメントの 内 部 まで 温 度 が 約 60 C 以 上 の 高 くなるかを 確 認 する また 真 菌 胞 子 及 び 細 菌 に 対 する 殺 菌 効 果 を 検 討 する 予 定 である