スライド 1

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

東京大学AGS研究 2011年年次報告会

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

► 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。 図３．加湿エレメント内部の状態 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 ► 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。

●紫外線による殺菌効果

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。

1．マイクロ波の殺菌可能性の検討

実大実験

◎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

非マイクロ波（熱）

◎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 ◎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 ◎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

￭

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

研究の内容

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

実験条件

◎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 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 表１．マイクロ波照射の条件 図４．GF/Fフィルターの乾燥



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 －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 図5．フィルター表面温度の測定

表２．試験菌の種類

C. herbarum NBRC31006 F. solani NBRC30964 B. subtilis NBRC3215

y = 2×10-8_{x - 0.0014} R² = 0.9987 0 0.04 0.08 0.12 0.16

0.0E+00 2.0E+06 4.0E+06 6.0E+06 8.0E+06 1.0E+07

O D 600n m CFU/ml －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106 _{cells mL}-1 －培養条件：25℃、5日間培養

－培地：PDA (Potato Dextrose Agar) －細胞濃度定量：Hemacytometer 約106 _{cells mL}-1 分類 菌株 真菌 胞子 Cladosporium herbarum NBRC31006 胞子 Fusarium solani NBRC30964 細菌 内生胞子 Bacillus subtilis NBRC3215

細菌

真菌の胞子

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－

対象菌100μL接種 室温１時間 乾燥 マイクロ波の照射 出力：100 W, 500W, 1000W 照射時間：5, 10, 20, 40, 60秒 B . subtilis 培地に塗抹 結果確認 培養 0.1%Tween buffer 混ぜる フィルター コロニー計数 C. herbarum F . solani 菌の準備

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－

乾燥しない 非乾燥 乾燥 C. herbarum F . solani 3日間 B . subtilis 24時間 図6．マイクロ波の照射による殺菌性能の実験課程

Control 10sec 20sec 40sec 60sec Bacillus subtilis 0 10 20 30 40 50 60 100 101 102 103 104 105 (a) C . he rbar um N B R C 31006 ( C F U m L -1 ) 0 10 20 30 40 50 60 100 101 102 103 104 105 (b) F . s ol ani N B R C 30964 ( C F U m L -1 ) 0 10 20 30 40 50 60 100 101 102 103 104 105 Time (sec) (c) B . s u b tillis N BRC3 2 1 5 ( CF U m L -1 )

―□― 100W dry ―△― 500W dry ―○― 1000W dry

■ 100W wet ▲ 500W wet ● 1000W wet

Time(sec) Time(sec)

Fusarium solani

Control 5sec 10sec 20sec 40sec 60sec 100W Dry 100W Wet 500W Dry 500W Wet 1000W Dry 1000W Wet Cladosporium herbarum

Control 5sec 10sec 20sec 40sec 60sec 100W Dry 100W Wet 500W Dry 500W 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

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－

100W Dry 100W Wet 500W Dry 500W Wet 1000W Dry 1000W Wet

区分 温度（℃） 殺菌効果（％）

出力 500W C. herbarum F. solani B. subtilis

状態

時間 Dry Wet Dry Wet Dry Wet Dry Wet

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

時間 Dry Wet Dry Wet Dry Wet Dry Wet

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 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

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－

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

◎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

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）

項目 条件 マイクロ波の周波数 2.45 GHz マイクロ波の出力 150 W～1500 W 10段階調節可能 照射時間 5秒

試験菌 Fusarium solani NBRC30964 Cladosporium herbarum NBRC31006 Bacillus subtilis NBRC3215 容積 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4．マイクロ波照射の条件 図8．マイクロ波発生装置と温度測定 光ファイバー 温度センサー ガラス 試験管

培養 0.9% NaCl Solution 菌株をマイクロ波照射 0.9% NaCl Solutionをマイクロ波照射して 温度を上げる 培養 菌株の接種 菌株の接種

マイクロ波

熱

マイクロ波加熱と熱加熱の殺菌効果比較 －実験方法－

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

15 25 35 45 55 65 75 85 0 5 10 15 20 25 30 Power 1 (150W) Power 2 (300W) Power 3 (450W) Power 4 (600W) Power 5 (750W) Power 6 (900W) Power 7(1050W) ５秒間マイクロ波照射 出力 (W) 照射時間 (sec) （℃） 温度 照射前 0sec 29.5 150W 5sec 40.6 300W 5sec 44.0 450W 5sec 50.7 600W 5sec 55.1 750W 5sec 62.0 900W 5sec 66.3 1050W 5sec 71.5

◎マイクロ波の照射（150 W～1050W：7段階出力）による

温度

変化

Temp er at ur e( ℃ ) Time(sec) 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。 図10．マイクロ波の出力による温度変化 表5．マイクロ波の出力による温度変化

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－

Cladosporium herbarum マイクロ波 熱 Bacillus subtilis Fusarium solani 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 熱 マイクロ波 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の殺菌効果比較 －実験結果－

Microwave (CFU ml-1₎

Heat (CFU ml-1₎

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

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

マイクロ波加熱と非マイクロ波加熱の殺菌率比較

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。 65 ℃ 以上条件で99%以上の殺菌効果を示す。

Te m pe ra tur e( ℃ ) 15 25 35 45 55 65 75 0 400 800 1200 1600 Power 1 (150W) Power 2 (300W) Power 3 (450W) Power 4 (600W) ◎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

50℃以下温度維持条件のマイクロ波照射による殺菌効果

項目 条件 マイクロ波の出力 150 W、300 W マイクロ波の照射 400秒間隔にマイクロ波5秒間照射 試験菌 Fusarium solani NBRC30964 容積 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6．マイクロ波照射の条件 Time(sec) 出力 (W) 照射時間 (sec) 照射回数 （回）

温度（℃） Fusarium solani _sterility

(%)

1回 2~6回 _{(CFU ml}AVERAGE -1_{) (CFU ml}STDEV -1₎

Control 0sec 26.93℃ 16000 423

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%

図11．マイクロ波の出力による温度変化 表7．マイクロ波の出力による温度変化

◎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

50℃～80 ℃温度条件のマイクロ波照射による殺菌効果

15 25 35 45 55 65 75 85 95 1.00E+01 1.00E+02 1.00E+03 1.00E+04 1.00E+05 0 5 10 15 20 25 Bacillus subtilis NBRC3215 Fusarium solani NBRC30964 15 25 35 45 55 65 75 85 95 1.00E+01 1.00E+02 1.00E+03 1.00E+04 1.00E+05 1.00E+06 0 5 10 15 20 25 Te m pe ra tur e( ℃ ) Time(sec) Te m pe ra tur e( ℃ ) Time(sec) CF U m l -1 CF U m l -1 図12. 150W出力の照射時間による殺菌効果と温度変化 マイクロ波 非マイクロ波 温度 マイクロ波 非マイクロ波 温度 出力 (W) 照射 時間 (sec)

温度 Range (℃) Fusarium solani Bacilus subtillis

Microwave Heat Microwave Heat

Average

max min max

AVERAGE (CFU ml-1₎ STDEV (CFU ml-1₎ Sterility _(%) AVERAGE (CFU ml-1₎ STDEV (CFU ml-1₎ sterility _(%) AVERAGE (CFU ml-1₎ STDEV (CFU ml-1₎ STDEV (CFU ml-1₎ AVERAGE (CFU ml-1₎ STDEV (CFU ml-1₎ Sterility (%) 150W 0sec 27.88 16,000 423 68,267 29084 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% 表8．温度変化による殺菌効果

◎菌濃度による殺菌効果の測定 －菌株の濃度（104_、105 _、106_、107_{cell ml}-1_）条件 ◎750W、900Wのマイクロ波出力を5秒間照射

菌濃度による殺菌効果

照射 出力 (W) 照射 時間 (sec) 温度 （℃） (cell ml濃度 -1₎

Fusarium solani Bacillus subtilis

AVERAGE

(CFU ml-1_{) (CFU ml}STDEV -1₎ sterility _{(%) (CFU ml}AVERAGE -1_{) (CFU ml}STDEV -1₎ sterility _(%)

900Ｗ 5sec 66.27 104 _{0 0 100% 7 12 99.9%} 105 _{0 0 100% 7 12 100%} 106 _{0 0 100% 140 0 100%} 107 _{0 0 100% 1060 0 100%} 照射 出力 (W) 照射 時間 (sec) 温度 （℃） (cell ml濃度 -1₎

Fusarium solani Bacillus subtilis

AVERAGE

(CFU ml-1_{) (CFU ml}STDEV -1₎ sterility _{(%) (CFU ml}AVERAGE -1_{) (CFU ml}STDEV -1₎ sterility _(%)

750Ｗ 5sec 61.98 104 _{0 0 100% 0 0 100%} 105 _{0 0 100% 27 31 100%} 106 _{60 104 100% 300 164 100%} 107 _{53 92 100% 56960 44208 99.4%} 表9. 菌濃度（104_{, 10}5_{, 10}6_{, 10}7_{cell ml}-1_{）による殺菌効果}

15 25 35 45 55 65 0 10 20 30 40 50 60 0.9% NaCl solution Cladosporium Fusarium Bacillus Air Filter 出力 (Watt) 照射 時間 (sec) 材料 反射率 % _吸収率 % （℃）温度 in out 450W 5sec 0.9% 食塩水 100 75 25 50.8 Cladosporium (107 _{cell ml}-1_{) 100 74 26 51.9} Fusarium (107 _{cell ml}-1_{) 100 75 25 51.8} Bacillus (107 _{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

◎材料のマイクロ波の吸収率測定

マイクロ波の吸収率測定

Te m pe ra tur e( ℃ ) 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

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。