UV-C除菌に関するよくある質問TOP10を専門家に聞く!

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UV-C除菌に関するよくある質問TOP10を専門家に聞く

〜UV除菌の使い方、効果、利用上の注意点 Q&A〜

 

竹下 秀(タケシタ シュウ)
国際照明委員会CIE
第6部会「光生物学と光化学」副部会長
(東海大学工学部 光・画像工学科 准教授)

PROFILE

専門分野:光環境影響評価、光放射計測工学

研究課題:各種光源を組み込まれた装置などの光生物学的安全性や光化学特性評価(企業などからの依頼試験)、光放射の絶対量計測に関する研究、太陽紫外線の長期変動に関する研究、屋内光環境に関する研究    

所属学会:国際照明委員会CIE第6部会「光生物学・光化学」、照明学会、日本照明工業会、日本光医学光生物学会、米国光生物学会他

主な論文・著書:照明工学 照明学会編 第7章「放射の応用」(オーム社、2012年)、照明ハンドブック第3版 照明学会編 9編「光放射の応用」編主任他(オーム社、2020年)、学んで実践!太陽紫外線と上手につきあう方法 佐々木編著、竹下・国立環境研究所編(丸善、2015年)、異常気象と気候変動についてわかっていること いないこと 筆保編、川瀬編著(ベレ出版、2014年)

目次

1.はじめに
2.2021年11月現在までに寄せられたUV-C除菌に関するよくある質問 TOP10
3.よくある質問TOP10に対する回答

 

 

1.はじめに

 UV-Cの紫外線は除菌・殺菌に非常に有効です。しかしながら私たち人間にとって、またその空間にいる大切なペットや植物にとっては、非常に危険な光でもあります。ぜひ今日は紫外線の有効性と危険性を理解していただければと思います。

 

2.2021年11月現在までに寄せられたUV-C除菌に関するよくある質問TOP10

Q1. (UV-C除菌の基礎技術)
UV-A、B、Cの違いと効果の内容、紫外線除菌のメカニズムについて教えてください。

Q2. (UV-C除菌の基礎技術)
紫外線ランプから出る紫外線量はどのくらいなのでしょうか。
それは除菌性能に対してどのくらいの大きさなのか教えてください。

Q3. (UV-C除菌の性能)
紫外線ランプは大きなものほど効果があるのでしょうか?

Q4. (UV-C除菌の性能)
ウイルス・細菌はどれくらいの紫外線量で不活化するのでしょうか。

除菌効果を得るための最低紫外線量はどのような数値なのか教えてください。

Q5. (UV-C除菌の性能)
紫外線除菌はどのような菌・ウイルスに効果があるのでしょうか。

新型コロナウイルスにも効果があるのですか。

Q6. (UV-C除菌の使い方)
UVの人間の目・皮膚への障害、また什器・備品に対して、どのくらいの量でどのような影響があるのか教えてください。

Q7. (UV-C除菌の使い方)
密閉空間と人の出入りが多い場所では、除菌効果にどのような差があるのでしょうか。

Q8. (UV-C除菌の使い方)
紫外線除菌と消毒剤(液)はどのような住み分け・使い分けをすれば良いのでしょうか。

Q9. (UV-C除菌の使い方)
紫外線除菌機器・設備の導入検討にあたり、維持管理上の留意点について教えてください。

Q10. (UV-C除菌の使い方)
UV-C LEDと紫外線ランプの比較や違い、選ぶ際の注意点について教えてください。

 

3.よくある質問に対する回答

Q1.UV-A、B、Cの違いと効果の内容、紫外線除菌のメカニズムについて教えてください。

 紫外線というと一般的には太陽の紫外線を思い浮かべる方が多いと思いますが、紫外線は光の一部であり、さらにUV-A、B、Cというのは、その紫外線の一部です。図1に示した通り、紫外線というのは波長1nmから400nmの光のことを指し、このうち産業的によく活用する100nmから400nmまでの間をA、B、Cと分類しています。太陽の紫外線はこのうちUV-AとUV-Bに当たります。
本日のセミナーで取り上げているUV-Cというのは、実は地上には到達していない光なのです。すなわち人間が人工的に作り出した光、これがUV-Cです。


図1 光とは何か


このUV-A、B、Cがそれぞれ人体にどのように作用するのかということを図2に示しました。UV-Aというのは、目に見える光のすぐ隣にあります。ですから大きな、重篤な作用というのは引き起こしません。しかしながらUV-BとUV-Cは私たちの体にとって非常に重篤な作用を引き起こします。有用な作用というのはUV-Bの光によるビタミンD3の合成精度なのです。すなわち基本的にはUV-BとUV-Cの光は皮膚癌や白内障や免疫不全などを起こすことがあり、私たちの体にとってはあまり良くない光です。



図2 紫外線による主な人体への作用

図3は実際にUV-BとUV-Cの光が生物に当たった時にどのような作用を示すのか、ということをまとめたものです。ここには人間とハムスター、マウス、カエル、これらの細胞死と突然変異、そしてバクテリアやウイルスの不活化をまとめてあります。「不活化」というのはバクテリアやウイルスを殺すことです。すなわち不活化=殺菌であると理解していただいていいと思います。この図で注目していただきたいのはグラフの黒の実線です。これはDNA(デオキシリポ核酸)の吸収スペクトルです。プロットしてあるのが実際の生物への作用です。



図3 UVの生物への作用

このグラフから、プロットと実線がほぼ一致していることがわかると思います。これはすなわち、DNAが紫外線を吸収することによって悪い作用が起こる、ということを意味しています。
DNAが紫外線を吸収すると実際に何が起こるか、ということを次の図4にまとめました。DNAは4つの塩基が螺旋状に連なったものです。このうち代表的なものはチミンとシトシンと呼ばれるものですが、紫外線が当たるとこのチミンもしくはシトシンが隣り合ったところで2量体(ダイマー)という反応が起こります。すると紫外線を吸収したウイルスや細菌はDNAの複製ができなくなり、最終的には死んでしまう、ということが起こるわけです。



図4 ウイルスや細菌の紫外線による不活化

 

Q2.紫外線ランプから出る紫外線量はどのくらいなのでしょうか?それは除菌性能に対してどのくらいの大きさなのか教えてください。

 除菌や殺菌で使われるランプにはいろいろな種類がありますが、これまでに最も多く使われてきたのは図5に示した殺菌灯です。殺菌灯は波長254nmの光を極めて効率よく出せる光源で、1830年代までさかのぼる非常に長い歴史があります。つまり私たちの体や生物に対して紫外線がどのような影響を及ぼすのかということは、昔からこのランプを使って調べられてきているわけです。様々な研究の結果、この254nmの光というのは極めて殺菌能力が高いということがわかりました。そのことから、正式には「低圧水銀ランプ」という名称のランプですが、「殺菌灯」と呼ばれるようになりました。この殺菌灯を使った室内上部の殺菌・除菌は、第二次世界大戦以前から行われています。


図5 殺菌灯とは


実際にこのランプを使って殺菌・除菌をする際に重要なのは、紫外線の強さではなくて、「光のエネルギー」である、ということです。紫外線の強さというのは瞬時瞬時の紫外線の量で、正確には「放射照度」と言われるものです。殺菌や除菌の世界では「mW/cm2」という単位を使います。一方、殺菌や除菌の能力に関係する光エネルギーですが、こちらは殺菌したいもの、除菌したいものに照射する紫外線の量のことを指します。放射照度に、当てている時間を掛けたもので、「mJ/cm2」という単位を使います。この光のエネルギーの大きさが、イコール殺菌性能・除菌性能だと考えていただいて良いと思います(図6)。


図6 紫外線の強さと光のエネルギーの関係

 

Q3.紫外線ランプは大きなものほど効果があるのでしょうか。

 全く同じ種類のランプ、すなわち殺菌灯同士を比較した場合、やはりランプの消費電力の大きいもののほうが殺菌能力も大きくなります。ただし、菌灯から出た紫外線がどのような特徴を持っているのか(図7)ということについて、注意が必要です。

1.紫外線は必ず直進する

殺菌したいモノが、別の物体の後ろにあった場合、前面の物体を避けて紫外線が届くということはありません。紫外線は曲がらないので、奥にあるものに紫外線の光は届かないのです。

2.殺菌灯から出た光は広がっていく

光源から離れると紫外線のエネルギーは小さくなります。

3.物体の表面で吸収される

これは1の直進とも関係してきますが、殺菌したいモノの手前に別の物体があると、その表面で紫外線が吸収されてしまいます。

4.斜めから当たると弱くなる

極端な例を言うと正面から当たった場合と、真横から当たった場合では、後者は全く光が当たっていないのと同じ状態になります。そういった場合には殺菌能力がないということになります。

このようなことからわかるように、必ずしも消費電力の大きなランプを使う必要はありません。それよりも、除菌したいモノの大きさや位置関係などをよく考えて選択していただきたいと思います。


図7  殺菌灯などから出た紫外線の特徴

 

Q4.ウイルス・細菌はどのくらいの紫外線量で不活化するのでしょうか。除菌効果を得るための最低紫外線量はどのような数値なのか教えてください。

 Q3で申し上げた通り、殺菌灯を使った研究には非常に長い歴史があります。その結果、どのくらいのエネルギーを与えるとウイルスや菌を不活化できるのか、ということについては以前からわかっています。様々なウイルスや菌の研究成果が出ていますが、そのうち大腸菌など一般的なものを図8に示しました。一番下のクリプトスポリジウムというのは浄水、すなわち飲料水の除菌状態を調べるのに使う菌です。
どのウイルスや菌でも、だいたい10mJ/cm2前後の光エネルギーを与えると99.9%不活化できるということがわかっています。



図8 細菌やウイルスを不活化するために必要な光エネルギー

 

Q5.紫外線除菌はどのような菌・ウイルスに効果があるのでしょうか。新型コロナウイルスにも効果があるのですか。

 紫外線殺菌は、どのようなウイルス・菌に対しても効果があります。ですからもちろん新型コロナウイルスにも有効です。図9に赤い文字で新型コロナウイルスを99.9%不活化するために必要な光エネルギーと時間を示しましたが、これまでの研究でだいたい5mJ/cm2という数字が得られています。この値はQ4でご紹介したウイルスや菌とほぼ同じ光エネルギーです。ですからこれまで除菌をしてきたのと同じように光エネルギーを与えれば、新型コロナウイルスにも有効であるということが言えます。




uv009.jpeg
図9 細菌やウイルスを不活化するために必要な光エネルギーと時間

 

Q6.UVの人間の目・皮膚への障害、また什器・備品に対して、どのくらの量でどのような影響があるのか教えてください。

 私たち人間の目や皮膚に対して、紫外線は非常に危険であるということがわかっています。私たち人間が浴びることのできる光エネルギーの量を「許容限界値(TLV)」と呼び、この量は決まっています。これはアメリカの政府機関であるACGIH(米国産業衛生専門官会議)が1970年代に発表したもので、このTLVは人の目と皮膚が1日24時間のサイクルで浴びることができる許容限界値を規定しています(図10)。具体的な数値では、波長254nmで6.0mJ/cm2と決まっています。これはACGIHの勧告ですが、日本ではJIS(日本産業規格)に反映されており、UV-C製品の安全性評価に活用されています。それからTLVの数値の逆数をとってグラフに示したものをみると(図10右)、Q1の図3で示したマウスやハムスターなどの致死や変異の作用スペクトルとほぼ一致します。この作用曲線も紫外線の安全性評価に使われています。


uv010.jpeg
図10 ヒトの目と皮膚のTLVとUVの傷害関数

では実際に私たちが浴びることができる紫外線の量、6.0mJ/cm2を先ほどの不活化エネルギー量と比較してみたいと思います(図11)。ここに示した数値を見ていただくと、人間の許容限界値のエネルギー量というのは新型コロナウイルスや大腸菌、レジオネラ菌を殺すのとほぼ同じ光エネルギーであるということがわかります。ですから細菌やウイルスを殺すことはできるけれども、そこに人間がいた場合は、人間自体にも極めて重篤な影響があるということです。


uv011.jpeg
図11 細菌やウイルスを不活化するために必要な光エネルギーと時間、人間の許容限界値

 

次にモノや什器への影響を説明します。紫外線は、当たったモノの表面で強く吸収されます。特にUV-Cは極めて強く吸収されます。
図12の左側に、赤い布と黄色い布に殺菌灯の光を連続で25時間当てたものを示しました。左の赤い布の中央が少し白っぽく変色しているのがわかると思います。この部分が25時間紫外線が当たり続けた部分です。黄色い布も同様で、こちらは中央に少し色が濃くなった部分がありますが、ここが殺菌灯が25時間当たった部分です。このように赤い布も黄色い布も、もちろん他の色のものもすべて同じように変色します。この効果は布だけではありません。紙やプラスチックにも変化を与えます。特にプラスチックは紫外線を当て続けるとボロボロと壊れてしまいます。ですから紫外線の光が連続して当たると、モノは劣化するということを覚えておいていただきたいと思います。



図12 直接染色布の変退色試験

 

Q7.密閉空間と人の出入りが多い場所では、除菌効果にどのような差があるのでしょうか。

 昨今、いろいろなUV殺菌・除菌の装置が市販されていますが、気をつけていただきたいのは「必ず空気を回す」ということです。新型コロナウイルスの対策として窓やドアを二箇所開けて換気をしましょう、ということが言われていますが、除菌装置を使った場合も同じことが言えます(図13)。


図13 除菌装置の効果的な使い方


空気を除菌するためには、まず除菌装置にその空間の空気が吸い込まれないといけませんから、とにかく空気を回し、除菌装置に吸い込ませる、といった工夫が重要になります。逆に言うと密閉された空間、窓もドアも閉じて扇風機なども回さず、除菌装置だけを置いているところ、そういった場所では除菌能力は落ちるということです。
さらにもう一つ、人の出入りのある場所の除菌というのは大変難しい、ということがあります。なぜなら人の出入りによって新たなウイルスが空間に持ち込まれるからです。持ち込まれるウイルスの量が除菌装置による除菌量より多い場合は、当然ながらウイルスが増えてしまうという結果になります。ですから人の出入りが多い場所での除菌装置の使い方には十分に注意をしていただきたいと思います。

 

Q8.紫外線除菌と消毒剤(液)はどのような住み分け・使い分けをすれば良いのでしょうか。

 UVには大きな効果がありますが、やはりUVを使った殺菌・除菌にも限界があります。これまでに説明してきた通り、UVは使い方を誤ると使っている人や、その空間にいる人に影響を与えてしまう場合があります。こうした場面ではやはり消毒液を使う、ということになります。
しかし消毒液は水溶液ですから、水分を吸収してしまうようなもの、たとえば紙の製品、紙幣などには使うことができません(図14)。また皮や合皮の製品に使うとシミや変色、傷みの原因になります。こういったものに消毒液を使うことは避けたほうが良いでしょう(ただし、次亜塩素酸ナトリウムの消毒液は0.05%程度まで薄めれば使えます)。紙の製品や皮・合皮の製品にはUV殺菌を使っていただきたいと思います。



図14 消毒液が使えないもの

 

Q9.紫外線除菌機器・設備の導入検討にあたり、維持管理上の留意点について教えてください。

 現在、非常に様々なUV除菌製品を入手することができます。ただ、私がお願いしたいのは、UV-Cが外に漏れ出てしまうような製品、図15に示した天井あるいは壁に取り付けて殺菌灯の光を出すような製品、また手で持って殺菌する装置、テーブル等の上に置いて使うもので、殺菌灯の光が漏れて外に出てしまうような製品、そういった製品は色々な意味で危険性が高いため、避けていただきたいと思います。



図15 UV殺菌製品の選び方

安心して使える製品というのは室内に置いて、殺菌灯が入っている筐体の中に空気を吸い込み、その中で空気を殺菌し、殺菌された空気を吐き出す、といった仕組みのものです。図15では「殺菌灯内蔵の空気清浄機」と表記しましたが、こうした製品は紫外線のメリットとデメリットをよく知った上で作られており、紫外線が漏れないようにできていますので、安心してお使いになれると思います。
ただ、こうした製品にも様々な大きさのものがあります。大きな部屋に卓上の小さな製品を置いていても十分な除菌能力が得られないということになりますので、こうした使い方は避けていただいたほうがいいと思います。
空気清浄機の場合は、部屋の大きさが何畳まで、といった表記がされている商品が大部分ですので、お使いになる予定の部屋の広さと、製品の活用できる空間の広さをよく確かめて購入していただければと思います。

 

Q10.UV-C LEDと紫外線ランプの比較や違い、選ぶ際の注意点について教えてください。

 UV-CのLEDを使った製品は非常にたくさん流通しています。これらを調査した結果、UV-C LEDは殺菌灯を使ったものよりも光エネルギーが小さいということがわかりました。一例として、テーブルの上に置いて空間を殺菌する製品について、図16に示しました。


図16 UV-LED製品と殺菌灯(GL-15)の比較(空間殺菌用製品)

これはよく使われるGL-15という殺菌灯の光の強さと、右上に示したUV-C LED製品の光の強さを、同じ距離(1m)で比較したものです。GL-15の値を青で示し、UV-C LED製品はオレンジで示しました。このグラフから、UV-C LED製品のほうが2桁も弱いということがわかります。つまりこうした製品は空間除菌には到底使えるものではない、ということが言えます。
さらにもう一つ、局所殺菌用として流通しているもので、スマートフォンから電源を取って使う製品についても比較しました(図17)。こちらは殺菌灯で最も小さなGL-4という4Wの製品の光エネルギー(グラフの青線)と比較しましたが、274nmという最も殺菌に寄与する波長において、この製品からは1/3~1/4しかエネルギーが出ていない(グラフのオレンジ線)ということがわかります。

uv017.jpeg

図17 UV-LED製品と殺菌灯(GL-15)の比較(局所殺菌用製品)

この試験の評価距離はたったの1cmと、極めて近い距離で測っています。つまり除菌したいモノの面積が広い場合、非常に時間がかかる、ということです。本当に限られた部分、極端に言えば「点」の除菌にしか使えないのではないかと考えられます。
UV-C LEDの現状はこのような状態になっていますが、どんどん良い製品も出てきていますので、今後、皆様に安心して使っていただけるものが出てくるといいな、と研究者として思っています。

 

 

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【関連記事】

UV 殺菌の使い方、効果、利用上の注意点」も合わせてご覧ください。

・光の性質、紫外線によって起こる現象
・殺菌灯による殺菌のしくみ
・身の回りのUV殺菌、新型コロナウイルスへの効果
・紫外線の人体への影響
・UV殺菌製品の選び方と注意点 

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