日本エアロゾル学会 第39回エアロゾル科学・技術研究討論会
2022年8月5日 （慶応大学・日吉キャンパス）対面する人と人の間に設置する小型飛沫除去装置の開発○秋吉 優史 1) 2)、綿野 哲 1) 2)、松浦 法雄1)、落合 剛 3)1) 大阪公大 工学研究科、2) 大阪公大 国際感染症研究センター、
3) 神奈川県立産業技術総合研究所
E-Mail: akiyoshi@riast.osakafu-u.ac.jp
http://anticovid19.starfree.jp/飛沫とエアロゾル
2μm程度

150μm程度

医学的には口腔から放出される5μm以上の液滴を飛沫と呼び、それ以下の物をエアロゾルと呼ぶが、5μmを境に急に物性が変化するわけではなく、落下速度などは連続的に変化する。

会話時

咳をした時

しかし、口腔から出る液滴の粒径が示す2つのピーク、2μm程度と150μm程度では明らかに物性は異なり、同一の扱いとすることには無理がある。

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

様々な報道に於いて飛沫による感染リスクを軽視する意見が出ている。マスクやパーティションなどの対策をした上で残るリスクがエアロゾルというのは賛同できるが、そう言った前提条件無しに軽視することは市民に誤ったメッセージを送ることになる。また、マスクをしていても一定の割合で飛沫は漏出し、吸い込む側は隙間からほぼフリーパスで吸入される。また、飛沫が乾燥して出来る飛沫核がエアロゾルとなる場合や、落下した飛沫が接触感染や飲食物に付いた場合経口感染のリスクとなる可能性も無視できない。
なお、液滴の体積を考えると、100万個のウイルスが口腔から放出されたとしてエアロゾルとして滞空するウイルスは100個程度という見積が成されている(*)。
(*) 野村 俊之 , 新型コロナウイルス感染症(COVID-19)の感染経路に関する微粒子工学的検討, 日本接着学会誌, 57(2021)427-431.

・屋外での飲食（BBQなど）・屋外のスポーツ観戦
でのクラスターの発生は、マスクをしていない状況ではいかに換気がよくても飛沫感染のリスクが存在することを示唆してる。

気流、マスクの有無、会話のトーンなど、様々な状況で支配的となるリスクは変わり、対策も変える必要がある。

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より小さい粒子 → 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エアロゾル中のウイルスの不活化や、さらに小さ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」

人と人の間に、安心の光を。

AMED事業で得られた成果を元にした高性能フィルターを使用した製品の産学連携での商品化に向けて、試作機を制作中。本年度中に試験的な提供を目指しています。

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。
これまでに全国の医療機関や一般の方に合計で700台程度を提供し、実際に使用してもらっている。

特殊画像撮影による飛沫吸引の可視化
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。

空間を飛ぶ飛沫の捕集率107106105104

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

103108
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

109108108Density 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。

104103102
102030Height / cm40大型クリーンブースによる飛沫除去性能評価(1)Air flow
0.3 m/s

300mm
500mm
PCX

噴霧器:
ノズルの高さ
400mm

HEPA フィルターを使用した大型クリーンブース: 1.5×1.5×2.4m

Density of Particles / m-3

109108107106105

Particle Counter Height 400 mm
Particle size 1-5μm, Cleaner OFF
Particle size 1-5μm, Cleaner ON
Particle size 5-25μm, Cleaner OFF
Particle size 5-25μm, Cleaner ON

104
103

0100

200

PCX: position of Particle Counter / mm

小型飛沫除去装置:
机面に直置きパーティクルカウ
ンター: ノズルの高さ 400mm

直線的配置だけでなく、対象者が飛沫除去装置からずれた位置にいる場合の模擬を行った。元々大気中を飛ぶ埃の影響を避けるために大型のクリーンブースをセミクリーンルームに設置した。噴霧器に水平に設置したノズルからのミストはHEPAフィルターユニットからの追い風（0.3m/s程度）によってほぼ水平に飛行するよう調整した。噴霧器、パーティクルカウンターとも、着座した際の机面から口の高さ程度である400mmにノズルの高さを設定した。
5.0 ～ 25 μm の飛沫は、中心軸から250mmの範囲で一様に概ね1桁程度減少を示した。また、口腔から放出されるエアロゾルのピークサイズに相当する1.0 ～ 5.0 μm の粒子も、150mm 程度の範囲までは1桁程度減少した。一方、 0.3 ～1.0 μm の粒子は1割程度の減少に留まった。

大型クリーンブースによる飛沫除去性能評価(2)Air flow
0.3 m/s

300mm
500mm

HCX

噴霧器:
ノズルの高さ400mm

小型飛沫除去装置:
机面に直置きパーティクルカウ
ンター: ノズルの高さ 400mm

Relative particle number

HEPA フィルターを使用した大型クリーンブース: 1.5×1.5×2.4m

同様に、大型クリーンブースを使用して発生源と対象者を結ぶ直線から小型飛沫除去装置がずれた位置に設置された場合の模擬を行った。
5.0 ～ 25 μm の飛沫は、小型飛沫除去装置が中心軸上に設置された場合1/10程度に減少しているが、設置位置が離れるにつれて除去率は減少したが、250 mmまでの範囲で概ね半分程度に減少できていることが確認された。また、口腔から放出されるエアロゾルのピークサイズに相当する
1.0 ～ 5.0 μm の粒子も、全く同じ挙動を示す一方、 0.3 ～ 1.0 μm の粒子は1割程度の減少に留まった。

10.8
0.6Particle size
0.3-1 μm
1-5 μm5-25μm0.40.200100200

HCX: Position of small droplet remover / mm

フィルターによる飛沫の捕獲率
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、口腔からの飛沫を模擬した超音波加湿器からの液滴がどの程度フィルターに捕獲されるかを評価しました。

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
5～25
2.0E+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

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

その結果、5μm以上の飛沫に関しては、ほぼ完全に捕集できていることが確認されました。
キャッチしてゆっくり分解
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捕獲率が評価できませんでした。

370 L のグローブボックス中でネブライザーを用いてバクテリオファージQβを含む溶液を噴霧、ファンで攪拌しながら 10 L をゼラチンフィルターでサンプリングし、プラーク法に依り感染価を評価した。
その結果、ブランクでは1.6×106 PFUであったのが 20分で 1.1×106 PFU となり、30% 程度減少した。一方無機材質高性能フィルターを使用したひかりクリーナーを使用することによりスタート時に 7.2×105
PFU であったのが 10分後には3.3×105PFU、20分後には 1.8×105 PFU と、10分でおよそ半分、20分で 1/4 に減少した。

感染価 / PFU

ひかりクリーナーによるエアロゾル中のウイルス除去

106
ブランク
ひかりクリーナー使用時（無機材質高性能フィルター使用）

105

ただし、光触媒により不活化したかどうかは、光触媒を塗布していないフィルターも使用して比較を行う必要がある。
実環境は 370L のチャンバーよりもずっと体積が大きいが、エアロゾルはガスなどと異なり気流が無ければ余り遠くまで拡散しない事が知られている。人と人の間に設置する事を考慮するとたとえば机の上の直径1mの半球の体積は 262 L 程度になり、現実的な実験と言える。

010時間 / min20

フィルターでキャッチすることは出来ない、長時間空中に浮遊するエアロゾルに含まれるウイルスも除去できることが示唆された。
東芝「ルネキャット」のSARS-CoV-2に対する効果
Masashi Uema et al., "Effect of Photocatalyst underVisible Light Irradiation in SARS-CoV-2 Stability on an
Abiotic Surface", Biocontrol Science, 26 (2021) 119-125.

査読付論文として公開されている

① 吸引

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

発生源と対象者の間にひかりクリーナーを設置した場合、口の高さ程度を飛ぶ5μm以上の飛沫を1/1000程度にまで吸引除去② フィルターでキャッチ吸引した5μm以上の飛沫については、ほぼ完全にフィルターでキャッチ③ 光触媒で酸化分解1m程度

安全で高輝度の可視光 LED と、可視光応答光触媒を使用した無機材
質ベースの高性能フィルター（特許出願準備中）により、高い酸化分解力を実現。フィルターではキャッチできないエアロゾル中のウイルスについても除去できることを確認。

小型飛沫除去装置というコンセプトを実現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

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

査読付論文として公開されている

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 0.7g/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。

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。

HCHO density / mg・m-3

ホルムアルデヒド分解実験

5ブランク k2=7.19×10-4/min
ひかりクリーナー 標準機 k2=1.00×10-3/min
M社 TiO2使用小型空気清浄機 k=1.49×10-2/min
ひかりクリーナー2021型（低電力） k=2.29×10-2/min
ひかりクリーナー2022型 k=5.02×10-2/min

10.5

改良版ホルムアルデヒド分解測定
38L チャンバー

0100200
Time / min

300400量産型高性能無機材質フィルター

38L 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市販製品用試作機は、既存の光触媒式小型空気清浄機をはるかに凌ぐ性能を発揮した。