UV消毒の課題と機会

Dr. Simon Rankel

200nm～280nmの波長範囲の電磁放射は、紫外線のUV-C部分を指します。紫外線の自然発生源は太陽です。太陽が生成するUV-Cのほとんどは、大気中のオゾン層によってブロックされます。人工UV-C光源の中で最も一般的なのはガス放電ランプです。長い間、水銀灯がUVランプ市場を独占してきました。現在、LED技術の最新の進歩により、UV-C LED、特に260～280nm範囲のLEDが消毒に投入されています。

UV-C LEDは確立されたUV-C光源に比べてまだ比較的高価でエネルギー効率も低いですが、特に使用時点での用途においては、適切に設計された消毒システムですでに効率的に使用できます。UV-C LEDソリューションの大きな利点は、小型化、堅牢性、熱流の制御の向上、波長の正確な調整です。

「病原体」という用語には、細菌、ウイルス、寄生原生動物、真菌など、病気を引き起こす感染性微生物が含まれます。140年以上前から、紫外線には殺菌効果がある、つまり微生物を不活化または死滅させることができることが知られてきました。紫外線は、核酸 (DNAおよびRNA) の光化学的破壊を引き起こすことで実現します。これは、ほとんどの場合、病原体は死滅せず、複製できなくなることを意味します。あらゆる形態の微生物を除去する滅菌とは対照的に、消毒は有害な微生物をある程度減少/不活化するプロセスです。病原体を不活化することで、他の微生物に感染することができなくなります。

病原性微生物を不活化するために紫外線を使用するUV消毒方法は、紫外線殺菌照射 (UVGI) と呼ばれます。紫外線が病原体を不活性化できるかどうかを決定する重要なパラメーターを見てみましょう。このプロセスは、放射線の波長、病原体の微生物の感受性、および生物が曝露された放射線エネルギーの量によって異なります。

図1は、大腸菌に対するUV放射の殺菌効果曲線が260～265nm付近でピークに達することを示しています。この曲線は微生物によって異なりますが、DNAによるUVの最大吸収を示す領域は通常250～280nmの間です。

低圧水銀ランプは253.7nmにピークがあるため、UVGIに非常に便利です。そのため、これらのランプはしばしば殺菌ランプと呼ばれます。

UVGIは化学消毒と比較して大きな利点をもたらします。UV放射により有害な化学物質や副産物が残されません。したがって、UVGIは、水中、空気中、表面の消毒など、さまざまな用途に使用できます。

最も開発され、世界中で受け入れられているUV-Cアプリケーションは水の消毒です。飛沫による空気感染の概念と、空気を消毒するためのUVGIの使用という概念は、1930年代に初めて発見されました。現在、空気の消毒はいくつかの方法で行うことができます。部屋の空気を部分的にまたは部屋全体に照射する方法。または特別に設計された密閉空気循環システム (換気や空調など) を通過する空気に照射する方法です。最終的に落下して表面を汚染する空気感染経路の病原体の場合、表面の消毒が重要になります。最適な結果を得るには、UV空気消毒とUV表面消毒を併用する必要があります。どちらも病原体と戦う上で重要です。

微生物が曝される紫外線放射エネルギーの量は、微生物の不活化の重要な決定要因です。興味深い質問は、細菌に到達するとしたら、最終的にどのくらいの量の放射エネルギーが細菌に到達するのかということです。

UV放射を定量化するには、さまざまな一般的な放射量があります。UV源の放射パワー (放射束)、単位時間 (W) あたりに放射される放射エネルギーです。放射照度、単位面積あたりの表面によって知覚されるパワー (W/m²) および放射曝露、表面によって知覚される放射エネルギー (J/m²)。 これはUV線量とも呼ばれ、UVGIメカニズムを理解するために重要です。

抗菌性試験では、対数スケールを使用して不活化または死滅した微生物の数の変化の大きさを指す対数減少という用語が使用されます。3-log減少とは、サンプル中の微生物の数が1000分の1に減少し、特定のUV線量に曝露した後には初期数の0.1%のみが残ったことを意味します。微生物が異なればUVGIに対する感受性も異なり、同じ不活化率でも必要な放射線量は異なります。表1は、微生物の種類に応じて、UV線量が病原体の減少レベルにどのような影響を与えるかを示しています。

線量値と不活化レベルは通常、特定の条件下で得られた実験結果に対応しており、実際の状況とは異なる場合があります。通常、現場では提案されている線量よりも高い線量が適用されます。現在、多くの研究者がSARS-CoV-2ウイルスの致死紫外線量を決定することに取り組んでいます。現在、一般に入手可能な検査結果はありません。

特定の微生物の特定の対数減少の用量が判明すると、特定のウイルスの蔓延を防ぐためにはどの程度の減少が必要かという次の疑問が生じます。毒に関するEPAガイドラインでは、上記の病原体に対する消毒を主張するには、10分以内に6対数の減少以上が必要であると述べています。生存可能な病原体をあまりにも多く残しておくと、再び急速に指数関数的に増殖する可能性があります。

UV-C消毒プロセスの2つの最も重要な側面は、その効率と安全性です。効率的な消毒をしたい場合は、空間と表面を詳細に知り、使用するUV光源の機能と制限を理解し、排除しようとしている病原体を知る必要があります。また、紫外線を照射する際には、人に危害を与えないよう安全性にも気を配る必要があります。対処する必要がある主な基準の1つはシャドーイングであり、これはUV-C消毒の有効性に大きな影響を与えます。それは巨視的（物体の背後にある細菌）または微視的（小さな細菌が表面材料の亀裂に隠れている可能性がある）のいずれかです。どちらの場合も、細菌が影の場所にある場合、細菌を不活化することはできません。

この状況の複雑さを理解するために、UV-C消毒システムまたはロボットによる消毒が必要な病院の談話室を想像してみましょう (図2参照)。

まず、安全性の問題があります。紫外線への直接曝露は生物に影響を与えるため、曝露されてはいけないすべての人または他の生物は、消毒を開始する前に部屋から退出する必要があります。また、UV-C放射線に繰り返しさらされると表面 (特にポリマー) が長期的に劣化する可能性があるため、部屋の材質も考慮する必要があります。

第二に、UV消毒を効果的にするには、消毒する空間を最初に掃除する必要があります。血液などの液体の吸収特性により、不活化の成功率が低下します。巨視的な影を作成する不要なオブジェクトはすべて削除する必要があります。床の雑巾やタンス内部は覆われた場所であり、紫外線が届かなければ細菌を不活化することはできません。

表面にはさまざまな種類があり、細菌やウイルスが増殖できる隙間がたくさんあります。部屋全体の環境消毒を考える場合、距離に関係なく、床を含むあらゆる表面に到達し、効果を発揮するシステムを使用する必要があります。たとえば、地表と大気のオゾン層より上のUV-C放射照度には大きな違いがあります。私たちの部屋で起こっている状況に類似することができます。UV源と照射面の間の物体または物質に関する測定位置は非常に重要です。

3つ目は照射時間の問題です。放射照度はUV源からの距離の2乗に反比例し、光源からの放射パワーは通常固定されているため、必要な線量を達成するにはこの距離と照射時間が重要です。複数のUV源を組み合わせることができます。多くの隅、壁、天井、または移動ロボットに複数のシステムを設置すると、利用可能な放射パワーが増加します。このアプローチにより、室内の特定の種類の病原体に対して、必要なUV線量に対応する対数減少が達成されることが保証されます。消毒の結果を最適化し、時間を短縮するには、消毒源が表面の近くに移動することが理想的です。垂直な表面はより多くのエネルギーを吸収し、表面素材の質感によるマイクロシャドウイングに効率的にアプローチできるため、照射対象物に向かうUV源の傾斜角度も重要です。

UVGIの安全性の問題に戻ると、生物学的影響と紫外線の浸透深さの間には違いがあることに注意することが重要です。UV-C波長範囲は生物学的に最も活性な放射線ですが、皮膚の死んだ外層に吸収されるため、人にとってはそれほど危険ではありません。一方、UV-BおよびUV-A放射線は組織のさらに奥まで浸透します。254nm放射線への過度の曝露は、日焼けのような影響 (紅斑) や「溶接フラッシュ」として知られる痛みを伴う目の症状 (光角膜炎) を引き起こす可能性があるため、安全な行動が重要です (1)

UV放射計 (放射照度センサーおよび線量センサーとも呼ばれる) は、消毒用途に選択されたスペクトル帯域でのUV照射と線量測定に一般的に使用されます。信頼性の高い結果を得るには、適切なセンサーを選択し、正しく使用することが重要です。UV源の放射パワーを測定する1つの方法は、他のセンサーおよび分光計に接続された適切な積分球を使用することです。そして最後に、適切な校正により、得られる結果が正確で信頼できることが保証されます。特定の現場条件では、特別な測定アプローチやカスタムソリューションが必要になる場合があります。

紫外線を照射して表面上のSARS-CoV-2ウイルスなどの病原体を不活化することは、効果的で安全で環境に優しい消毒方法となり得ますが、すべての制限を考慮した包括的なアプローチを見つけることが不可欠です。特に医療業界では、消毒用途でのUV放射の使用に関する規制を改善することが実質的に必要です。この点では、使いやすい測定機器の開発と応用が極めて重要です。

出典 1: The History of Ultraviolet Germicidal Irradiation for Air Disinfection, N.G. Reed, Public Health Rep. 2010 Jan-Feb; 125 (1): 15-27