遠くまで照射するエキシマランプ

Scientific Reports volume 13、記事番号: 381 (2023) この記事を引用

1058 アクセス

2 オルトメトリック

メトリクスの詳細

ダイニングテーブルは細菌やウイルスを媒介するリスクを引き起こす可能性があります。 現在、一緒に座っているときに食事を守るための環境に優しく便利な手段が不足しています。 この研究では、ダイニングテーブルの表面を消毒するために遠紫外線Cエキシマランプを構築しました。 ランプをさまざまな高さと方向に取り付け、テーブル表面の放射照度を測定しました。 大腸菌 (E. coli) に対するさまざまな不活化効率を得る照射線量が提供されました。 さらに、放射照度とその結果として生じる不活化効率について数値モデリングを実施しました。 表面間 (S2S) モデルは、測定された放射照度を使用して検証されました。 遠UVC照射の殺菌性能、客が曝露された遠UVC線量、生成されたオゾンへの曝露リスクが評価された。 その結果、12.8 mJ/cm2 の照射線量で表面上の大腸菌を 99.9% 殺菌できることが明らかになりました。 ランプの照射出力、ランプの数と位置を変えることにより、遠UVC照射は5分間の食事時間で3対数の減少を達成できます。 さらに、遠 UVC ランプは効果的な不活化率を達成する際に、客に損害を与えるリスクが低くなります。 さらに、機械換気されている食堂では、オゾン暴露のリスクは事実上ありません。

ダイニングテーブルは微生物によって簡単に汚染されます1,2。 食卓の表面に存在する微生物は細菌またはウイルスのいずれかです3,4。 この細菌は、(1) 汚染された雑巾やスポンジでテーブルを拭く、(2) 浮遊微生物の堆積、および (3) 汚染された食品との接触によって、食卓の表面に伝染します5、6、7。 食卓の表面上の細菌は数時間、場合によっては数週間生存することがあります8。 ウイルスは、感染した客から放出された飛沫とともに食卓に定着する可能性があります9。 宿主細胞から分離された場合でも、ウイルスは適切な条件下では食卓の表面で 2 ～ 7 日間生き続ける可能性があります4。 ダイニングテーブル上の微生物の消毒は、表面接触経路による人への感染を最小限に抑える効果的な方法となり得ます。

化学消毒剤は、表面の微生物を殺すために長い間使用されてきました。 食卓の消毒剤には、塩素系溶剤、エチルアルコール、ペルオキシ酢酸、第四級アンモニウム塩溶剤10などが含まれます。これらの消毒剤は、酸化によって生体タンパク質を変性させるか、表面張力の力によって生体からの水分の損失を促進することによって微生物を不活化します11,12。 。 化学消毒剤は、大部分の微生物を殺すのに非常に効果的です13。 しかし、ほとんどの化学消毒剤は環境に優しいものではありません。 さらに重要なことに、化学消毒剤は、許容上限を超えると人間の健康に有害となる可能性があります。 2014年のエボラ出血熱流行時に残留塩素消毒剤への過剰曝露による呼吸器症状や皮膚症状が報告されたことは、化学消毒の欠点を浮き彫りにしている14。 したがって、ダイニングテーブルでは化学消毒を慎重に行う必要があります。

紫外線 C (UVC) 放射も微生物を不活化するのに非常に効果的であり 15、表面に残留物は生成されません。 波長 254 nm の従来の UVC は、通常、蒸発した水銀を通る電気アークによって生成されます。 放出された光子は微生物の体に深く浸透し、リボ核酸 (RNA) またはデオキシリボ核酸 (DNA) を破壊する可能性があります16。 したがって、照射された微生物の複製と増殖の両方が防止されます。 ただし、UVC254nm は人体への照射には安全に使用できません。 UVC254nm への過度の曝露により、結膜炎、紅斑、さらには皮膚がんが発生する可能性があります17。 したがって、食事中のUVC254nm消毒は禁止される場合があります。

近年、波長 207 ～ 222 nm の範囲の遠 UVC が大きな注目を集めています18。 遠紫外光線は、内部で希ガスが高電圧によってイオン化されるエキシマランプによって生成できます。 Far-UVC は細菌細胞やウイルスに対して同様の殺菌効果があり、UVC254nm19 よりも細菌の内生胞子を殺すのに強力であると報告されています。 特に、放出された光子は角質によって優先的に吸収され、その後細胞質タンパク質によって同化されるため、人間の細胞における遠UVC光線の浸透深さは非常に限られています20。 したがって、高エネルギー光子が原子核に入るのが妨げられます。 したがって、遠UVCは人の存在下での消毒に適していると考えられます。

遠UVC光線のイオン化により、空気中の酸素原子が再結合し、オゾンが発生する可能性があります。 エキシマランプ（遠UVC用）のオゾン放出率は、同じ入力電力における従来の水銀ランプ（主にUVC254nm用）よりも大幅に低くなります。 ただし、換気が不十分で容積が制限されたダイニングルームでエキシマランプを使用すると、室内のオゾン濃度が急速に上昇する可能性があります。 高濃度のオゾンに長期間さらされると、さまざまな健康への悪影響が生じる可能性があります21。 したがって、消毒に遠UVC照射を採用する場合のオゾン曝露の可能性も評価する必要があります。

上記のレビューにより、頻繁に触れる表面の消毒には、遠 UVC が化学消毒剤や従来の UVC254nm よりも優れている可能性があることが明らかになりました。 汚染された食卓は微生物の伝播を引き起こす可能性があります。 現在までのところ、一緒に座っているときに食事を守るために長期間使用できる、環境に優しく便利な方法はありません。 この調査では、この知識のギャップを埋めるために実験と数値モデリングの両方を実施しました。

このセクションでは、遠 UVC 照射の殺菌性能、食事客が曝露される遠 UVC 線量、および関連するオゾンへの曝露の可能性のあるリスクを示します。

図 1 は、照明用の既存のランプをエキシマ ランプに置き換えることによって、市販の電気スタンドを改造した、ダイニング テーブルの消毒用に構築された遠 UVC ランプを示しています (Eden Park、USA)。 入射角度と入射距離によるテーブル表面放射照度の変化を図2に示します。入射距離を5cmの一定値に維持した場合、図2に示すように、入射角度とともに放射照度は減衰します。 2b. 放射照度は垂直照射でピークに達し、入射角を22°、39°、50°、58°と増加させると、0.17 mW/cm2、0.19 mW/cm2、0.05 mW/cm2、0.03 mW/cm2と減少しました。 °、ランバートの法則に従って、それぞれ。 入射角が0°に維持されると、図2cに示すように、放射照度は入射距離とともに減少しました。 放射照度は、入射距離 5 cm で 0.21 mW/cm2 でしたが、入射距離が 10 cm、15 cm、20 cm に増加すると、それぞれ 0.06 mW/cm2、0.03 mW/cm2、0.02 mW/cm2 に減少しました。形態係数の変化に応じて、 表面間モデル (S2S)22 は、入射距離および入射角による放射照度の変化をうまく予測しただけでなく、測定値と比較して 15% 未満の相対偏差も得られ、数値モデリングが高精度であることを示しました。 。

食卓の消毒用に作られた遠UVCランプ：（a）外観写真。 (b) エキシマランプの構造図と写真。

ダイニングテーブル表面の予測放射照度と測定放射照度の比較：（a）遠UVC放射照度サンプリング位置の概略図。 (b) 放射照度と入射角。 (c) 放射照度と入射距離。

大腸菌（E. coli）に遠UVCランプを照射し、異なる照射線量での生きた大腸菌数を測定しました。 1 mJ/cm2の照射量を例として、消毒前後の生きた大腸菌を図3に示します。遠UVC照射前には、図3aに示すように豊富な大腸菌が存在していました。 図3bに示すように、照射後、大腸菌の92.3%が不活化され、わずかなパーセントのみがまだ生きていました。 図3cに示すように、大腸菌を接種していない試験サンプルでは微生物は検出されず、サンプルが汚染されていないことが示されました。 この結果は、far-UVC が大腸菌の減少に優れていることを示しています。

注釈板法による 1 mJ/cm2 の照射線量下での生きた大腸菌の計数：（a）遠 UVC 照射前の大腸菌を接種したサンプル。 (b) 照射後の大腸菌を接種したサンプル。 (c) 接種されていないサンプル。

図4に示すように、大腸菌の対数減少は一般に照射線量とともに増加しました。 1 mJ/cm2、3 mJ/cm2、6 mJ/cm2、12 mJ/cm2、および 24 mJ/cm2 の照射線量では、対数減少はそれぞれ 1.37、1.74、2.44、2.96、および 3.67 でした。 Hom のモデルに基づいて、対数減少は照射線量とともに指数関数的に増加します 23。 3-log 以上の不活化効率を目標とする場合、必要な照射線量は少なくとも 12.8 mJ/cm2 でなければなりません。

大腸菌の不活化効率と照射線量の関係。

図 5 は、8 つの典型的な食事の状況を示しています。 このうち、「4 人で 1 つのランプ」という戦略 (e) は、ランプ表面放射照度が 100 mW/cm2 未満では 3-log の不活化効率が達成できないため、却下されました。 現在のエキシマ ランプは、100 mW/cm2 ものピーク表面放射照度を提供する可能性があります。 この発見は、入射距離 25 cm の下では、単一のランプではダイニング テーブルの表面全体を消毒するには不十分であることを意味します。

典型的な食事状況に必要な遠 UVC ランプの必要な数と可能な位置: (a) 1 人のダイナーに 1 つのランプ。 (b) 向かい合って座る 2 人のディナー用に 2 つのランプ。 (c) 同じ側に座る 2 人のディナー用に 2 つのランプ。 (d) 3 人のディナーに 3 つのランプ。 (e) 4 人のディナーに 1 つのランプ。 (f) 4 人用のランプが 2 つ。 (g) 4 人のディナーに 3 つのランプ。 (h) 4 人のディナーに 4 つのランプ。

図 6 は、食事時間が 5 分間のテーブル上の不活化効率のモデル化された分布を示しています。 特に、必要なランプ表面放射照度は状況によって異なります。 表 1 は、ダイニングエリアで 3-log 以上の不活化効率を達成するために最低限必要なランプ表面放射照度を示しています。 不活化効率はランプ下で最大値に達し、ランプからの距離が増すにつれて低下した。 単一ランプの状況では、図6aに示すように、不活化効率等値線はダイニングテーブルの表面上に円形に分布しました。 図6b〜dおよび図6f〜hに示すように、より多くのランプが使用されると、重複領域はより高い不活化効率を示します。

さまざまな食事状況に対する数値モデル化された不活化効率分布: (a) 1 人のダイナーに 1 つのランプ。 (b) 向かい合って座る 2 人のディナー用に 2 つのランプ。 (c) 同じ側に座る 2 人のディナー用に 2 つのランプ。 (d) 3 人のディナーに 3 つのランプ。 (f) 4 人用のランプが 2 つ。 (g) 4 人のディナーに 3 つのランプ。 (h) 4 人のディナーに 4 つのランプ。

表 1 に示すように、1 つのランプを使用する 1 人のディナーの場合、5 分以内にダイニング テーブルの 4 分の 1 に対して 3-log の不活化効率を確保するには、ランプ表面で少なくとも 42 mW/cm2 の放射照度が必要でした。 2 人の食事者が向かい合って座る場合、各ランプには 33 mW/cm2 以上の放射照度が必要でした。 この値は、照射領域が重なっているため、状況(a)の値よりも小さくなりました。 同じ側​​に座る 2 人のダイナーの場合、重なり合うゾーンが非常に限られているため、各ランプは個別のダイニング エリアを照射する必要がありました。 したがって、必要な放射照度は状況 (a) の場合と同じでした。 省エネの観点から、お二人様でのご利用は対面着席をおすすめいたします。 「3 人のダイナーに 3 つのランプ」という状況は、状況 (a) と状況 (b) を組み合わせたようなものです。 ディナーが 4 人の場合、2 つ、3 つ、または 4 つのランプが使用された場合、各ランプに必要な最小放射照度はそれぞれ 90 mW/cm2、48 mW/cm2、または 30 mW/cm2 でした。 総エネルギー入力が懸念される場合は、ランプを 4 つ使用することをお勧めします。 さらに、ランプの数が増えるとユーザーの柔軟性が高まりますが、初期投資がより大きくなります。

総放射照度が最も高かった食事状況 (f) が、食事客の遠 UVC 曝露の分析の例として選択されました。 5分間に客が受けた遠UVC照射を図7に示します。ランプの高さが比較的低いことと、ランプシェードによる保護のため、客の目はまったく照射されませんでした。 高線量の遠UVC照射は主に腹部に集中し、ピーク値は23 mJ/cm2でした。 人間の表面への遠UVC曝露は、国際非電離放射線防護委員会（ICNIRP）が提案する8時間の1日閾値限界値（TLV）23 mJ/cm2を超えませんでした24。 他の 6 つの状況の被ばく線量も評価されました。 この場合、食事客の目には遠紫外線Cが照射されることはありませんでした。 さらに、人の表面が曝露された最大線量はすべて 20 mJ/cm2 未満でした。 腹部は通常、衣服で覆われています。 したがって、受信した遠 UVC 曝露量は上記の分析値よりも低くなります。 同時に、ランプシェードの形状を最適化して、人の表面への照射を減らすこともできます。

「4名様で遠UVCランプ2台」の場合に、お客様が受ける遠UVC照射量。

ここでも、状況 (f) は、最大量のオゾンを生成する可能性のある最高の総表面放射量のため、オゾン汚染の可能性の分析に選択されました。 図8は、向かい合って座っている2人の客を通る、床に垂直な平面上のオゾン濃度を示しています。 遠UVCランプのスイッチを入れると、放出されたオゾンがランプシェードの内側に集まり、濃度が20 ppb上昇しました。 濃度が蓄積すると、オゾンは濃度勾配と周囲の空気流の両方によってランプシェードの外に拡散しました。 ランプシェードから出たオゾンは急速に希釈され、機械換気システムによる良好な混合により食堂内に均一に分散されました。 空間全体の平均オゾン濃度は 1.2 ppb でしたが、これは純粋に遠 UVC ランプのスイッチをオンにした結果でした。

遠 UVC ランプのスイッチを入れた後のオゾン濃度の上昇: (a) オゾン濃度を示す対象面の位置。 (b) この平面上の濃度等高線。

図 9 は、16 人の食事者の呼吸ゾーンにおけるオゾン濃度の上昇を示しています。 食事客のうち、ほぼ半数の濃度は 0.5 ppb 以下でした。 最大および最小の上昇濃度は、それぞれ 2.8 ppb および 0.3 ppb でした。 食堂のシンクによるオゾン分解の可能性を考慮すると、実際の使用で得られるオゾン濃度はより低くなるでしょう。 1 時間の最大許容オゾン曝露濃度は 0.16 mg/m3 (約 80 ppb)25 です。 したがって、食堂で遠UVCランプを使用してもオゾン暴露のリスクは生じません。

16 名の食事者のうち、呼吸ゾーンのオゾン濃度が上昇した食事者の数の統計分布。

この調査では、遠UVC照射の殺菌性能を調べるために臨床試験を実施しました。 測定のために大腸菌をステンレス鋼プレート上に手動で放菌しました。 手動で放出された大腸菌は初期濃度が安定しており、測定と比較が容易でした。 ステンレス鋼プレートの小片上の大腸菌も、培養および計数のためにより効率的にサンプリングできます。

大学の食堂のテーブル表面の消毒も測定しました。 しかし、複雑で豊富な微生物や、テーブル表面の油膜やグリースの干渉により、必要な照射線量は大きく異なり、再現性のある結果を得るのは非常に困難です。 あるいは、単純化のために研究室のテーブル上で純粋な大腸菌を測定しました。 将来的には、現実的な食事環境における遠UVCランプのさらなる評価が依然として必要である。

テーブル表面上の大腸菌の対数減少を使用して不活化効率を報告しましたが、UVC 照射は一部の浮遊微生物も消毒できると考えられます。 広く使用されている紫外線殺菌照射 (UVGI) も、浮遊微生物を不活化することができます 26、27、28。 空中浮遊微生物の消毒における遠 UVC ランプの定量化には、さらなる努力が待たれます。

3-log の不活化効率を達成するための照射線量は、微生物によって大きく異なります。 たとえば、A 型インフルエンザウイルス、SARS-CoV-2、および黄色ブドウ球菌の不活化効率 3-log を達成するための最小照射線量は、2.0 mJ/cm2、3.7 mJ/cm2、および 12 mJ/cm2 であると報告されています。それぞれ29、30、31。 A 型インフルエンザウイルスの 2.0 mJ/cm2 の線量は、表面消毒ではなく空気消毒のためであることに注意してください。 別の研究 32 では、4.3 mJ/cm2 の UVC 線量がマイク上のインフルエンザ ウイルス H1N1 の 99.2% を消毒したと報告しています。 したがって、大腸菌の消毒に使用される 12.8 mJ/cm2 の線量でも、ほとんどの感染性病原体を効果的に不活化できます。

テーブルを拭いた雑巾や食べ物のカスなどにより、ダイニングテーブルの表面に水や油の膜が付着していることがあります。 液膜やその他の不純物は、UVC 照射の不活化効率に影響を与える可能性があります。 蒸留水中で 3-log の不活化効率を達成するための照射線量は 15 mJ/cm2 でしたが、不純物が存在する場合は 30 mJ/cm2 に増加します 31。 文献 31 の研究では UVC254nm が使用されていましたが、どちらの照射線量もステンレス鋼プレート上で報告された 12.8 mJ/cm2 よりも大きかったです。 遠紫外線殺菌用の液膜が実際の食卓に与える影響については、さらに調査する価値があります。

ダイニングテーブルの製造に使用される材料には、タイプ 304 ステンレス鋼だけでなく、ガラス、ポリ塩化ビニル (PVC)、木材、石などがあります。 これらの材料の粗さは、石 > 木材 > PVC > ステンレス鋼 > ガラス 33 のように減少します。 表面粗さは、UVC 照射を受ける殺菌性能に無視できない影響を与える可能性があります。 不活化に対する細菌代用物の耐性は、食品包装材料の粗さとともに増加することが報告されています 33。 粗い表面上の微生物は、滑らかな表面上の微生物よりも低い照射線量を受ける可能性があります。 さらなる研究では、さまざまな材質とさまざまな粗さレベルのテーブルで消毒テストを実施する可能性があります。

水蒸気は UVC 光を吸収する可能性があります。 したがって、周囲の空気の湿度が高く、したがって水蒸気の濃度が高くなると、表面の UVC 放射照度は減少します。 報告によると、相対湿度が 20% から 80% に増加すると、UVC254nm 放射照度は 0.9% 減少しました 34。 25 cm という非常に短い距離の水滴による UVC 光線の吸収と散乱は、事実上無視できます。 したがって、この調査では、遠 UVC ランプの殺菌性能は、短い入射距離内では気温や湿度によって大きな影響を受けません。 ただし、遠UVC放射照度は、生成されたオゾンによって減衰する可能性があります35。 幸いなことに、約 20 ppb という低いオゾン濃度は、遠 UVC 出力に最小限の影響しか与えません。

食事中に客の手が遠UVC照射にさらされる可能性があります。 ただし、食事中は両手が動くのが一般的であるため、受け取る UVC 線量はジェスチャーによって変化する可能性があります。 ランプシェードの形状は、テーブル表面への照射を制限するが、テーブル表面より高い位置にある手への照射はあまり制限しないように、より適切に設計することができます。 手の曝露リスクの調査と、手の曝露を最小限に抑える創造的な方法については、さらなる研究が待たれます。

この調査では、遠UVC照射の殺菌性能を調査し、食事客が曝露される遠UVC線量を評価し、関連するオゾンへの曝露の可能性のあるリスクに対処するために、実験と数値モデリングの両方を実施しました。 得られた結果に基づいて、次の結論を導き出すことができます。

12.8 mJ/cm2 の遠 UVC 照射量で、ステンレス鋼プレート上の大腸菌を 99.9% 消毒できます。 ランプの放射照度出力、ランプの数、位置を変えることにより、遠UVC照射は5分間の食事時間で3対数の不活化を達成できます。

食事をする人が浴びる最大遠紫外線量は腹部にあります。 遠 UVC ランプは、ほとんどの感染性病原体に対して効果的な不活化率を達成する際に、客への損害リスクが低くなります。

食堂全体の平均オゾン濃度は 1.2 ppb でしたが、これは純粋に遠 UVC ランプのスイッチを入れた結果でした。 機械換気されている食堂で遠 UVC ランプを使用しても、オゾンにさらされる危険はありません。

図1に示すように、遠UVCランプのコンポーネントには、バランスのとれた台座、電源、格納式フレーム、エキシマランプ、およびランプシェードが含まれています。 定格入力は10W。ステンレスフレームはダイニングテーブル上0～60cmまで自由に伸縮可能。

採用したエキシマランプの寸法は、長さ５．０ｃｍ×幅５．０ｃｍ×厚さ０．３ｃｍである。 このランプは単色光源であり、KrCl の希ガスが充填されたマイクロキャビティのマルチインターレース配列で構成されていました。 ランプのスイッチがオンになると、マイクロキャビティ内の KrCl が電圧と相互作用し、219 ～ 222 nm でピークが 221 nm の波長の UV 光を照射します36。 定格動作条件下で、ランプ近くの遠 UVC 放射照度は 1.5 mW/cm2 と測定されました。 エキシマランプは、放射線を集中させるために遮光ランプシェードで覆われていた。 ランプシェードは、車軸ツリーを介して格納式フレームに取り付けられており、ユーザーの要求に応じてランプを 360 度回転させることができます。

放射照度は殺菌性能の重要な決定要因です。 これは、単位時間当たり単位面積に投影される放射束として定義されます。 この研究では、寸法 120 cm (長さ) × 60 cm (幅) × 70 cm (高さ) のタイプ 304 ステンレス鋼で作られた実際のダイニング テーブルを使用しました。 テーブルには一度に4名様までご利用いただけます。 図2aに示すように、遠UVC放射照度はテーブル表面のさまざまな位置で測定されました。 これらの位置は「O-B1-B2-B3-B4」とラベル付けされ、入射角はそれぞれ 0°、22°、39°、50°、58°でした。 テスト中、ランプは 5 ～ 20 cm の範囲で 5 cm 間隔の 4 つの異なる高さ、つまり A1 ～ A4 に固定されました。 上記の設計は、さまざまな入射角と入射距離での放射照度を調べるために使用されました。

遠ＵＶＣ放射照度は、ＵＶＣ光度計（タイプ：ＩＬＴ２４００；Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ、米国）を使用して、検出範囲８〜４ｍＷ／ｃｍ２、精度±１％で測定した。 測定の不確実性を最小限に抑えるために、各位置での遠UVC放射照度を5回測定し、平均値を報告しました。

放射照度に加えて、微生物の消毒も測定されました。 遠 UVC 照射の殺菌性能は、次のように不活化効率 34 によって定量的に評価できます。

ここで、P は不活化効率、N0 と N はそれぞれ照射前と照射後の微生物濃度 (CFU/mL) です。 得られる不活化効率は、時間に対する放射照度の積分としての照射線量と密接に関係しています。

不活化効率を決定するには、遠UVC照射の前後に存在する微生物をサンプリングする必要があります。 食卓に頻繁に存在する大腸菌を試験微生物として選択しました。 この研究では大腸菌 (ATCC 25,922) を使用し、Haibo Biotechnology (青島、中国) から購入しました。 試験の前に、標準手順に従って大腸菌懸濁液を調製しました31。 次に、懸濁液 20 μL をピペットで抽出し、寸法 1.00 cm (長さ) × 1.00 cm (幅) × 0.05 cm (厚さ) の 304 型ステンレス鋼プレート上に均一に振りかけました。 大腸菌を含むステンレス鋼プレートをインキュベーター（タイプ：SPX-70、Zhongji Environmental Protection Technology、中国）内で 35 °C で 20 分間乾燥させ、その後遠 UVC ランプの下に置きました。 その後、ステンレス板をガラス管に入れた１０ｍＬのリン酸緩衝食塩水（ＰＢＳ）に浸漬した。 ガラス管を５０００ｒｐｍ／分で１０分間遠心分離して、大腸菌をプレート表面からＰＢＳに分離した。 大腸菌を含むＰＢＳを希釈し、トリプトンを含む大豆寒天培地に植菌した。 35 °C で 24 時間インキュベートした後、ステンレス鋼サンプル上の生きた大腸菌コロニーの数を数えました。

精度を確保するために、図 10 に示すように、実験グループ、対照グループ、および空白グループの 3 つの並行テストを実行しました。対照グループの操作は、実験グループの操作と一致しました。遠UVC照射の欠如。 対照群と実験群は、遠UVC照射の前後で大腸菌の濃度を取得するように設定されました。 ブランク群については、まず大腸菌懸濁液の代わりにPBS 20μLをステンレスプレートに移し、その後の操作はコントロール群と同様とした。 ブランクグループテストの目的は、操作中の微生物汚染の可能性を特定することでした。

3 つの並行テスト グループで大腸菌の不活化効率を測定するための概略図。

さまざまな照射線量での不活化効率を得るために、1 mJ/cm2、3 mJ/cm2、6 mJ/cm2、12 mJ/cm2、および 24 mJ/cm2 の遠 UVC 線量が作成され、これらは次の積分として計算されました。照射時間による局所放射照度。 試験は各用量で 5 回繰り返されました。 したがって、合計 75 のテストが実行されました。

ダイニングテーブルの表面における遠UVC放射は、媒質中の放射線の吸収、放出、散乱を無視し、固体壁間の「表面間」放射線のみを保存することにより、S2S放射線モデル22で解決されました37。 所定の表面から出る放射束は、直接放射された放射と反射された放射で構成されます。 表面 N からの放射束は次のように書かれます。

ここで、qout、N は表面 N、W/m2 から出る放射束です。 εN は放射率です。 σ はステファン・ボルツマン定数、5.672 × 10−8 W/m2/K4。 T は表面温度 K です。 ρN は表面 N の反射率です。 qin、N は周囲から表面 N に入射する放射束、W/m2 です。

モデルの検証では、ダイニング テーブルと遠 UVC ランプが、部屋のサイズと同様の 2.0 m (長さ) × 1.6 m (幅) × 3.0 m (高さ) の寸法の密閉された部屋に配置されていると仮定しました。試験室。 表面放射照度が 1.5 mW/m2 の遠 UVC ランプ表面を除いて、すべての固体壁面は 25 °C であると仮定されました。 数値解法には ANSYS-FLUENT ソフトウェアを使用しました。 合計 150 万個の不均一に分散された四面体グリッド セルがソリューション ドメインで生成され、ダイニング テーブルと遠 UVC ランプの近くでは 4 mm のより細かいグリッド サイズになりました。 一方、他の地域のグリッド サイズは 1.2 の成長率で 50 mm まで徐々に増加しました。 S2S モデルの形態係数とエネルギー方程式は、2 次風上スキームによって離散化されました。 各時間ステップでの反復は、相対残差の収束基準 10-5 に到達するまで継続されました。 数値モデリングから得られた放射照度を測定から得られた放射照度と比較しました。

簡単のため、図 11 に示すように、4 つのダイニングテーブルと 16 人の大人の食事者を含む 4.0 m (長さ) × 3.2 m (幅) × 3.0 m (高さ) の寸法の領域を考えました。この領域は、テーブルの断面部分を表します。大学にあるような大きな食堂。 ダイナーの座高は 1.26 m、ダイニング テーブルの幾何学的サイズは実験で使用したものと同じでした。 微生物を不活化するために遠UVCランプがテーブルの上に置かれました。 天井には長さ1.25m×幅0.15m×高さ0.06mの蛍光灯4本を設置し、照明を提供しました。 食堂には混合換気システムが設置されていました。 調整された空気は天井中央の四角いディフューザーから供給され、内部の空気は対称の 2 つの四角い排気口から取り出されます。 ディフューザーと排気管の長さは両方とも 0.15 m でした。 合計 180 万個の不均一な四面体グリッド セルがドメイン内に生成され、ディフューザー、排気口、蛍光灯、ダイニング テーブル、遠 UVC ランプ、ディナーの近くの 4 mm というより細かいグリッド サイズで生成されました。 一方、他の地域のグリッド サイズは 1.2 の成長率で 50 mm まで徐々に増加しました。

ダイニング テーブルを消毒するために遠 UVC ランプを使用する食堂の幾何学モデル。

ダイナーとランプの数は、検討中の状況に応じて変化します。 1 つのダイニング テーブルには 1 人から 4 人まで同時に座ることができ、複数人の場合は同じ側に座るか、向かい合って座ることもできます。 図5に示すように、ダイナーが1人だけの場合、遠UVCランプはダイニングエリアの真上に配置できます。 2 名様は向かい合って、または同じ側に座ることができます。 3 人のダイナーの場合、頭上に 3 つのランプを配置するデザインになりました。 4 人が一緒に座る場合、ランプの数は 1 つから 4 つまでの範囲でした。

遠UVCランプはテーブルから25cm上に設置されました。 食事中はランプが点灯しました。 以前の統計分析では、食事の最小時間は 5 分であることが明らかになりました38。 したがって、この研究では、5 分間の最小持続時間で大腸菌に対して 3-log 以上の不活化効率を得ることを試みました。 エキシマランプの表面放射照度は、上記の不活化効率を達成するために変化させたが、100 mW/cm2 未満であった。 人の安全を確保するために、食事客の照射線量は 5 分間評価されました。

不活化効率に加えて、食堂内のオゾン濃度もモデル化されました。 エキシマランプはオゾンの主な発生源でした。 1.5 mW/cm2 の表面遠 UVC 放射照度を持つエキシマ ランプのオゾン放出率は、オゾン モニター (タイプ: 106 L、2B Technologies、米国) を使用して 17.27 ± 3.05 μg/h と測定されました。 オゾン排出量測定の詳細については、サポート情報をご覧ください。 オゾン放出と表面放射照度の間には線形関係があると仮定されました。 オゾンは化学的に不安定で、ほとんどの表面で分解される可能性があり、オゾン吸収源を構成します39。 さまざまなシンクの存在により、宇宙のオゾン濃度が減少します。 簡単にするために、これらのシンクによるオゾン除去率はこの調査では無視されており、その結果、実際に発生するオゾン濃度よりも高いオゾン濃度が生じた可能性があります。

表 2 は、数値モデリングの主な境界条件をまとめたものです。 ドメインの側面境界は、大きな食堂を表すために「対称」に設定されました。 天井、食卓、床の温度は25℃で一定、蛍光灯と食卓の温度はそれぞれ40℃と31℃でした。 遠UVCランプは48.3 W/m2の安定した熱流束を放出しました。 予想される不活化効率を得るために、遠 UVC 表面放射照度を 0 から 100 mW/cm2 まで変化させました。 17℃の調整空気を476m3/hの速度で室内に供給した。 2 つの対称的な排気口は、同じ速度で内部空気を抽出します。 空間的なオゾン濃度分布に加えて、各ダイナーの呼吸ゾーンにおける濃度も分析されました。 呼吸ゾーンは、中心が客の鼻上にある 0.3 m の立方体として定義されました。

数値解法にはANSYS-FLUENTソフトウェアを使用した。 表面放射照度は S2S モデルによって解決されました。 微生物の生存率と照射線量の関係がわかれば、不活化効率を求めることができます。 オゾン濃度は受動的スカラーとしてモデル化されているため、室内の乱気流の影響を受けます。 RNG k-ε 乱流モデルと標準壁関数が流れ解析に使用されました 40。 熱浮力を考慮するためにブシネスク近似が採用されました。 SIMPLE アルゴリズムを利用して圧力と速度を結合しました。 圧力はさきがけスキームによって離散化され、他の変数は二次風上スキームによって離散化されました。

表面放射照度の収束基準は、モデル検証のセクションのものと同じでした。 オゾン濃度については、次の基準が満たされる場合、シミュレーションは収束しているとみなされました 41: (1) 連続方程式の相対残差が 10-5 未満であり、他の変数が 10-3 未満であった。 (2) 総空気供給量に対するすべての境界における正味質量流量の比は 10-5 未満でした。 (3) すべての境界における正味の熱伝達率は、最大熱利得の 0.5% 未満でした。 (4) 典型的な地点での風速、温度、オゾン濃度は数値反復とは無関係でした。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開された論文とその補足情報ファイルに含まれています。

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この研究は、中国国家自然科学財団の支援を受けました (助成金番号: 51978450)。

天津大学環境理工学部室内空気環境品質管理天津研究室（中国、天津）

Mengqiang Lv、ジン ファン、Haofu Chen、Tengfei (Tim) Zhang

大連理工大学土木工学院（中国、大連）

テンフェイ (ティム) チャン

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ML: 方法論、オゾン濃度測定、データのキュレーション、分析、編集。 JH: 測定、ソフトウェア、検証、データキュレーション、分析、原案作成。 HC: 両方の方法を使用してカウントされた大腸菌数の比較。 TZ: 概念化、方法論、レビューと編集、監督、およびプロジェクト管理。 すべての著者が原稿をレビューしました。

Tengfei (Tim) Zhang への通信。

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転載と許可

Lv、M.、Huang、J.、Chen、H. 他。 食卓の消毒に遠紫外線Cを照射するエキシマランプ。 Sci Rep 13、381 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-27380-2

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受信日: 2022 年 9 月 13 日

受理日: 2023 年 1 月 2 日

公開日: 2023 年 1 月 7 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-27380-2

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