日本医療機器学会 第96回大会
2021年 12月 13日 ～ 2022年 1月 12日（オンライン）

人と人の間の飛沫除去に特化した可視光光触媒式小型空気清浄機の開発
大阪府立大学 研究推進機構 放射線研究センター
及び 同機構 大阪国際感染症研究センター
秋吉 優史、古田 雅一
E-Mail: akiyoshi@riast.osakafu-u.ac.jp
http://anticovid19.starfree.jp/

口腔から放出される液滴の粒度分布
2μm程度

120～150μm程度
会話時

口腔から放出される液滴粒径分布は2コブのピークとなっており、150μm程度の「飛沫」は2秒程度で落下し、1～2m程度までしか届かな
いが、2μm程度の「エアロゾル」は長時間空気中を漂っている（気流が無ければ余り移動もしない）。飛沫が蒸発してエアロゾルサイズの飛沫核となる場合もある。

咳をした時

G.R. Jhonson et al., Modality of human expired aerosol size distributions,
J. Aerosol Science, 42(2011)839-851.

竹川 暢之, エアロゾルと飛沫感染・空気感染, エアロゾル研究,
36(2021)65-74.

新型コロナウイルスへの工学的対抗策の検討(1)密集ソーシャルディスタンス

飛沫は2m程度しか飛ばないため、他人との距離を取ることで飛んでくる
飛沫から身を守れる

小型飛沫除去装置
フィルターと光触媒の組み合わせで飛沫をキャッチしてウイルスを酸化分解。
対面する人と人の間、飛沫の飛ぶ距離の範囲に設置されていないと意味が無いため、たくさんの台数が必要。

飛沫大きな液滴に大量のウイルス口腔から放出される5μm以上の液滴を飛沫と呼び、120-150μm程度に分布のピークを持つ。数秒の間に2m程度までの範囲に飛び散る。咳やくしゃみだけで無く、普通にしゃべっているだけでも飛散する。

飛沫の放出を防ぐためにはマスクが有効で、不織布や布製のマスクでは8割程度の飛沫を止めることが出来るが、残りの2割「感染を広げない」
程度は隙間などから飛散する。このため、 目的で全員が着用飛程よりも近くに座ってのミーティングや窓口などでの会話で感染リスクがある。また、食事中にマスクは困難で会食時のリスクが高い。

新型コロナウイルスへの工学的対抗策の検討(2)高性能空気清浄機

密閉エアロゾル

部屋の空気を撹拌するとエアロゾルが拡散してしまう恐れも。
発生源の近くに設置する小型機によるネットワークの必要性。

どうしても換気が悪い場所もある
換気の状況は二酸化炭素濃度が一つの指標となる。

△二酸化塩素・オゾン(刺激臭)

高温になる、ファンヒーターやストーブでも不活化は可能。（エアコンでは不可）

長時間飛び回り風に乗って粘膜に付着してから15～20分で感染する
遠くまで移動する
ため、うがいが出来ない状況であればこま5μm以下の微粒子で飛沫核とも呼ばれる。数分間空気中に滞留し、広い範囲に拡散しうる。

マスクをしていても、繊維の間や顔との隙間から半数近くのエアロゾルは飛散している。長時間滞留するため、換気が悪いと徐々に濃度が高くなる。

光触媒、紫外線、高性能フィルターを使用したものなど、様々なタイプが販売されており、エアロゾルの捕集、エアロゾルに含まれるウイルスの不活化を行う。

めに飲み込んでしまい胃酸で不活化する方が better。感染者が居る状況で飲食しても大丈夫と言うことでは無い（飲み込む途中で感染する可能性はゼロでは無く、鼻や目からの感染は防げない）。

人の居ない空間への紫外線照射
不活化の効果の高い UV-C は人体に対して有害（眼の角膜、皮膚に強い炎症）であるため、人にあたらないよう上方の空間に向けて UV-C を照射することで空気中のウイルスを不活化できるため食品工場などでは古くから用いられている。米国疾病予防管理センター、CDCでは公式サイトで Upper-room
Ultraviolet Germicidal Irradiation (UVGI) を推奨している。

新型コロナウイルスへの工学的対抗策の検討(3)コロナウイルスは脂質の膜、エンベロープを表面に持つタイプであるため、「あぶら」を溶かすことが重要。物理的に洗い流すだけでも効果的。次亜塩素酸なども効果がある。

密接
どこに潜んでいるか分からない
ブービートラップ

物体表面からの接触感染

手袋、衣類への光触媒塗布
防護具へのUV-C照射
感染症対策の医療現場では、防護具を脱装する際のリスクが高いため、Cold エリアへの境界で防護具に対してUV-C照射を行う事で感染リスクを低下させる。

環境によっては物体表面に付着したウイルスが数日間感染力を保持していることも。手にウイルスが付着しただけでは感染しないが、口腔、鼻腔や目の粘膜に存在するACE2受容体から感染しやすい。

物体表面へのUV-C照射
短時間でSARS-CoV-2の不活化が可能なことが様々な論文で確認されている。
人体に有害なため人が居るところでは使用することが出来ない。（Care222などは極めて人体への影響が小さい製品も存在するが、まだ完全に安全とは認められていない）
距離の二乗に反比例して弱くなる、透過力が極めて低い、斜め照射では弱くなる、有機物を劣化させるなどの様々な問題点を理解して使用する必要がある。

共有物品表面への光触媒や、銅・銀などの金属微粒子の塗布物体表面への塗布により、常に少しずつ不活化の効果を発揮する。蛍光灯と異なりLED照明は紫外線を放出しないため屋内では可視光応答の光触媒が必要。銅などの金属含有の光触媒は暗くなっても一定期間不活化の効力を発揮する物もある。
最も簡単には、銅箔テープの貼付けなどでも一定の効果が。

日本照明工業会/照明学会からの「紫外線殺菌 ご利用上の注意」
2021/08 に、東海大学の竹下 秀先生と、照明工業会加盟各社の皆様のWGに秋吉も参加を行い、一般人向けに「紫外線殺菌 ご利用上の注意」と言う形でパンフレットの作成を行いました。モデルのアリスムカイデさんの非常に被ばく紫外線量の多い事故については、消費者庁に重大事故として本人と共に同行し周知して頂けるなど、上手に使えば有用な紫外線利用上の注意点についての周知を行っています。
このパンフレットは科学的な論文を元に記述されており、学会公認のパンフレットと言うことで「厚労省 医療機関における院内感染対策について(H26) 」における、「紫外線照射等については、効果及び作業者の安全に関する科学的根拠並びに想定される院内感染のリスクに応じて、慎重に判断すること」での科学的根拠と捉えることが出来ます。

https://www.jlma.or.jp/siryo/pdf/pamph/notice_UV-light-emitting.pdf

光(Photon)
目に見える可視光線（380nm～, 3.1eV～）

光触媒粒子

光触媒の中での反応

還元

O2バンドギャップ

伝導帯

光による励起価電子帯

TiO2(アナターゼ) 3.2eV

活性酸素

空気中の酸素e-電子

オゾンよりも強力な酸化力

H2Oh+正孔(ホール)

TiO2(ルチル) 3.0eV

・O2-

酸化

紫外線が必要・OH

OHラジカル

水分活性酸素などは百万分の一秒程度で消滅するため(※)表面から数ミクロン程度の範囲にしか届きません

WO3 2.5eV

様々な有機物を酸化して化学的に分解

最終的には水と二酸化炭素にまで分解される（完全分解）。
※ 一瞬で大量の有機物を分解するわけではありません可視光応答光触媒によるウイルスの不活化
東芝ルネキャットウェブサイトより

光触媒の塗布量はひかりクリーナーの標準仕様でおよそ 0.7mg/m2 程度であるが、大量生産が可能な高性能フィルターでは17g/m2 程度となる。

Masashi Uema et al., "Effect of Photocatalyst under
Visible Light Irradiation in SARS-CoV-2 Stability on an
Abiotic Surface", Biocontrol Science, 26 (2021) 119-125.

光の強度も全く異なり、ひかりクリーナーでは 68,500 lux にもなる。このため、ひかりクリーナーでは上記の条件よりも速い速度で不活化すると考えられる。

人と人の間を飛び交う「飛沫」の除去に特化した飛沫除去装置
5μmよりも大きい液滴 → 飛沫
飛程が短いが大量のウイルス5μmより小さい液滴や液滴が蒸発して出来た粒子 → 飛沫核、エアロゾル
長時間滞留するがウイルス量は少ない
そのままでは話す相手に飛んでいく飛沫① 吸引

飛沫を含んだ
汚れた空気②フィルターでキャッチ③光触媒で酸化分解

飛沫が除去
された空気
可視光LED

1m程度

会話によって放出された飛沫は最大で 2m 程度飛び、マスクをしていても2割程度が漏洩するとの報
告もあります。口腔からの飛沫の粒径は、最も数が多いもので150μm程度で、エアロゾルで最も多い2μmの粒子の42万倍の体積があり、含まれているウイルスもその分多いと考えられます。マスクを付けずに近距離で会話をする会食は、お互いにこの大きな飛沫をぶつけ合うことになり、感染リスクが高いと言えるわけです。
大型の空気清浄機は部屋の中を漂うエアロゾルの除去には効果がありますが、近距離を数秒程度で飛び交う飛沫にはほとんど効果は期待できません。
卓上に設置できる小型で静音の空気清浄機であれ
ば、「人と人の間」に設置することが可能で、飛び交う飛沫を①「吸引」し、②「フィルターでキャッチ」することで、会話の相手に到達する飛沫の数を減らすことが可能です。
キャッチした飛沫中に含まれるウイルスは、③「光触媒により酸化分解」し、再放出される可能性を減らします。また、フィルターでキャッチできない有機ガスの分子も分解できることが確認されています。

可視光応答光触媒を用いた超低価格な小型空気清浄機「ひかりクリーナー」

製造技術を無償提供致します。

和紙による漏れ光の遮光

人と人の間に、安心の光を。

12cm角、高さ5cm、ファンの騒音19dB、消費電力5W以下で、モバイルバッテリーでの駆動も可能

可視光応答の光触媒を使用しているため、漏れ光を完全に遮蔽する必要が無く、簡易な構造での動作が可能。
PC 用のパーツなどを組み合わせて、1台1,200円程度で製作が可能。中学生程度でも工作可能で、半田付けなどの危険な作業も不要。光触媒フィルターは、市販されている東芝「ルネキャット」スプレーにより製造が可能
で、より強力なファンを使用すれば性能向上も可能。
これまでに有償・無償併せて700台程度を提供し、実際に使用してもらっている。

可視光応答光触媒を用いた小型飛沫除去装置「ひかりクリーナー2020」

マグネットプレートによりスチール
什器壁面への貼り付けも可能

可視光応答の光触媒を使用しているため、漏れ光を完全に遮蔽する必要が無く、簡易な構造での動作が可能。
通常は12VのACアダプターで駆動するが、アップコンバーターを使用するとモバイルバッテリーなどのUSB給電でも駆動可能。
12cm角、高さ5cm、ファンの騒音19dB、消費電力5W以下

現在は手作りのため遮光に樹脂メッシュを使用しているが、メタルメッシュに粉体塗装を施し、クオリティを上げた製品を製造予定。不織布のフィルターの30倍程度の反応速度定数（ホルムアルデヒド分解実験による）を示す無機材質高性能フィルターも量産済。

フィルターによる飛沫の捕集空気中の微粒子を可視化する特殊動画撮影を実施しました。
1m 程度の範囲に於いて、 口から発声に伴って出た飛沫や、スプレーからの模擬飛沫、エアロゾルを模した電子タバコのベーパー などが吸い込まれていき、なおかつフィルターによってマスクと同じように 止められていることが確認出来るかと思います。
発声に伴う飛沫の撮影に際しては、「ブーブー」と言う破裂音により 意図的に大量の飛沫を出しています。

フィルターによる飛沫の捕集(2)HEPAフィルターを使用したクリーンブース内にダクトを設置し、フィルターによる口腔からの飛沫を模擬した超音波加湿器ミスト捕集率を評価しました。5μm以上の飛沫に関しては、ほぼ完全に捕集できています。
測定条件

目張り無しクリーンベンチ内目張りしたクリーンベンチ内目張りしたクリーンベンチ内
加湿器使用 (1回目)
目張りしたクリーンベンチ内
加湿器使用 (2回目)目張りしたクリーンベンチ内
加湿器使用 (3回目)

Particle 上流側 下流側
Size
粒子濃度 粒子濃度
33μm/m/m
0.3～17.4E+06 2.7E+06
1～55.1E+04 1.7E+04
5～25
9.0E+02 1.8E+02
0.3～11.2E+04 6.7E+03
1～51.4E+02 1.8E+01
5～252.0E+01 0.0E+00
0.3～14.1E+08 4.6E+08
1～51.2E+07 3.6E+06
5～253.7E+06 2.1E+02
0.3～12.8E+08 2.5E+08
1～52.6E+06 1.0E+06
5～253.0E+05 1.8E+01
0.3～12.7E+08 2.7E+08
1～52.0E+06 1.5E+06
5～25
1.1E+05 5.3E+01

キャッチしてゆっくり分解
透過率
0.37
0.34
0.20
0.54
0.13
01.14
0.30
5.76E-05
0.87
0.40
5.99E-05
0.99
0.76
4.73E-04

一般に5μm以上の液滴を飛沫、それ以下の物をエアロゾルと呼んでいます。
1μm以下の液滴は計測可能な濃度を超えており透過率が評価できませんでしたが、空気中の埃は6割以上捕集されており、さらに小さいホルムアルデヒド分子が分解されることから、光触媒による不活化は期待できます（カルテック社の実験で実証されています）。

空間を飛ぶ飛沫の捕集率

107
106
105
104

L=90cm, Prefilter 4 layer
Without luminary cleaner
0.3-1.0μm
1.0-5.0μm
With luminary cleaner
0.3-1.0μm
1.0-5.0μm

103

108
107
106
105
104

L=110cm, Prefilter 4 layer
Without luminary cleaner
0.3-1.0μm
1.0-5.0μm
With luminary cleaner
0.3-1.0μm
1.0-5.0μm

103102030Height / cm

40

Density of Droplets / m-3

109108108

Density of Droplets / m-3

Density of Droplets / m-3

109

Density of Droplets / m-3

50 cm
70 cm

噴霧器からの距離風速0.6m/s程度のクリーンベンチ内での飛沫捕集試験を行った。
超音波加湿器からの水道水の液滴を、下流側に設置したパーティクルカウンターで測定する。液滴は斜めに噴射され、40cm程度の高さで水平に飛行した。

106

噴霧器からの距離50cm, 70cm の位
置にパーティクルカウンターを設置し、粒子数の高さ依存性を評価した。

107
106
105
104

いずれの距離でも、5.0～25μmの粒径の大きな「飛沫」は、飛沫除去装置の作動によって着席時の顔の高さである40cm程度の高さでは大幅に減少することが確認できた。

L=90cm, Prefilter 4 layer
Without luminary cleaner
5.0-25μm
With luminary cleaner
5.0-25μm103

105

L=110cm, Prefilter 4 layer
Without luminary cleaner
5.0-25μm
With luminary cleaner
5.0-25μm

0.3～1.0μmのエアロゾルは測定可
能な粒子数を超えており評価できていないが、別途粒子数を落とした測定でも減少は見られなかった。その間の1.0～5.0μmのエアロゾルについては1桁程度の減少が見られた。

104
103
102
102030Height / cm40

HCHO density / mg・m-3

ホルムアルデヒド分解実験
5k=8.84×10-4/min

k1=1.81×10-2/min
k2=1.41×10-3/min

k1=2.35×10-2/min
k2=7.15×10-5/min

10.50

k=1.76×10-2/min

k=3.81×10-2/min

100

k=6.70×10-3/min

Blank
Standard nonwoven fabric filter
Nonwoven fabric filter + 10wt% WO 3 slurry
Ceramic fiber paper + 10wt% WO 3 slurry
Ceramic fiber paper after 500 ℃ baking + 10wt% WO 3 slurry
Glass fiber mesh + 10wt% WO 3 slurry

200Time / min

30040038L サイズのアクリルデシケーターを使用して、有機ガスの一種であるホルムアルデヒド(HCHO)濃度の変化をホルムアルデメータ htV-m を使用して測定した。
簡易な構造かつ低価格で、教育現場などでの自作による普及を検討しているひかりクリーナー標準機でも確実な分解性能が確認されると共に、さらに高濃度の光触媒と無機系の材料を使用したフィルターを用いた試作機は、市販の小型空気清浄機をはるかに凌ぐ性能を発揮した。現在、さらに高性能のフィルターが量産可能となっている。