A-10A-10 　超磁歪アクチュエータ駆動に　超磁歪アクチュエータ駆動によるよる

キャビテーション発生を利用したキャビテーション発生を利用したウイルスの不活性化ウイルスの不活性化

環日本海域環境研究センター環日本海域環境研究センター生体機能計測研究部門生体機能計測研究部門

鈴木　峻鈴木　峻

目次目次

1.1. はじめに（キャビテーションとはじめに（キャビテーションとは）は）

2.2. 研究背景研究背景3.3. 研究目的研究目的4.4. キャビテーション発生装置キャビテーション発生装置5.5. ウイルス不活性化評価ウイルス不活性化評価6.6. まとめ・今後の課題まとめ・今後の課題

1.1. はじめに（キャビテーションとはじめに（キャビテーションとは）は）

液体の圧力が液体の圧力が飽和蒸気圧飽和蒸気圧を下回ることにより，溶存気を下回ることにより，溶存気体の蒸発が起こる現象体の蒸発が起こる現象

船舶のスクリューやポンプなど流体機器の船舶のスクリューやポンプなど流体機器の性能劣化性能劣化・・損傷損傷などの悪影響を及ぼすなどの悪影響を及ぼす

温　度

圧　

力

キャビテーション

沸騰液体

気体固体

vP

P

キャビテーションによって損傷した水車

キャビテーションの有効利用キャビテーションの有効利用

二酸化チタン二酸化チタンを水媒質に添加し，キャビテーションを発を水媒質に添加し，キャビテーションを発生・崩壊させると生・崩壊させると強い酸化力強い酸化力を示すを示すヒドロキシルラジカヒドロキシルラジカルルが発生が発生

無数に発生したキャビテーション気泡が崩壊すると無数に発生したキャビテーション気泡が崩壊すると1GPa1GPa を超えるを超える圧力衝撃波圧力衝撃波が生じ，温度はが生じ，温度は 10000K10000K にに達する達する 超音波洗浄超音波洗浄・・金属の切断金属の切断などに有効利用などに有効利用

キャビテーション崩壊エネルギーによってチタンが励起され高濃度のヒドロキシルラジカルが発生したと考えられる

2.2. 研究背景研究背景

湖水や河川などが湖水や河川などが汚濁汚濁にさらされている場合にさらされている場合

従来の技術では従来の技術では汚水量汚水量が多くなるほど処理能力がが多くなるほど処理能力が劣劣化化

　　磁気応用分野から磁気応用分野から超磁歪アクチュエータ超磁歪アクチュエータを用いた機構をを用いた機構を提案し提案し

多量の汚濁水多量の汚濁水に対する水質浄化を視野に入れたに対する水質浄化を視野に入れた環境浄化への応用環境浄化への応用を考えるを考える

3.3. 研究目的研究目的超磁歪アクチュエータ超磁歪アクチュエータを用いてを用いて

二酸化チタンを添加した水媒質へ二酸化チタンを添加した水媒質へキャビテーションを機械的に発生させキャビテーションを機械的に発生させ

水質汚濁の原因となる水質汚濁の原因となるウイルスウイルスをを不活性不活性化化

キャビテーション崩壊によるキャビテーション崩壊による圧力衝撃波・熱分解作用圧力衝撃波・熱分解作用

ヒドロキシルヒドロキシルラジカルのラジカルの酸化分解力酸化分解力

4.4. キャビテーション発生装置キャビテーション発生装置

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　 によって構成　　　 によって構成　　　　　　

　 　 アクチュエータの振アクチュエータの振動を水槽内部に伝え，動を水槽内部に伝え，

加圧・減圧加圧・減圧を行うを行う

交流磁界による超磁歪素子の寸法変化でピストン・シリンダーが上下振動する

超磁歪アクチュエー超磁歪アクチュエータタととピストン・シリンダーピストン・シリンダー機構機構

キャビテーション発生装置の減圧キャビテーション発生装置の減圧能能

交流励磁電流交流励磁電流 5A5A 駆動駆動で振動振幅で振動振幅 120120mm ，，

最大発生推力最大発生推力 8300N8300Nを出力を出力

水槽内の減圧はピスト水槽内の減圧はピストンの断面積に反比例ンの断面積に反比例

減圧能減圧能 PP=F/S=4290 [hPa]=F/S=4290 [hPa]FF ：発生推力，：発生推力， SS ：ピストン断面積 ：ピストン断面積

発生推力

キャビテーション発生条件を満たすキャビテーション発生条件を満たす

158 mm

ウイルスの不活性化ウイルスの不活性化

ウイルスはウイルスは核酸核酸ととキャプキャプシドシド（タンパク質の外（タンパク質の外殻）から殻）から

　 構成される　 構成される ウイルスは他生物にウイルスは他生物に　 キャプシドを介して　 キャプシドを介して感染感染

キャプシドを破壊すればキャプシドを破壊すればウイルスは感染ウイルスは感染

することができないすることができない

核酸

キャプシド

細菌

感染感染破壊破壊

キャビテーション崩壊時に生じるキャビテーション崩壊時に生じる圧力衝撃波圧力衝撃波・・熱分解作用熱分解作用ととヒドロキシルラジカルのヒドロキシルラジカルの酸化分解力酸化分解力によってによって

キャプシドに損傷を与えるキャプシドに損傷を与える

キャビテーション発生装置によるウイルスの不活性化

キャビテーション発生装置によってウイルスに振動印加を与える際には透析膜を用いる

水分子大きさ水分子大きさ（（ 0.3nm0.3nm ））

透析膜孔径透析膜孔径（（ 5nm5nm ））

ウイルス粒子ウイルス粒子（（ 27nm27nm ））

<< <<

透析膜

水分子水分子ウイルスウイルス

透析膜を用いる理由は①ウイルスに与える条件を　　　

　　　保ったまま実験を遂行できる

②実験ごとに水槽部の滅菌操作を　行わなくてもよい

③他のウイルスや細菌が透析膜内に入り込まない

5.5. ウイルス不活性化評価ウイルス不活性化評価実験方法実験方法

１．透析膜へウイルスを入れる１．透析膜へウイルスを入れる２．水槽部へ２．水槽部へ E1E1 ，， E2E2 の透析膜を入れ，アクチュエーの透析膜を入れ，アクチュエー

タを　　　駆動させるタを　　　駆動させる３．取り出したウイルスを大腸菌へと感染させ，　　　３．取り出したウイルスを大腸菌へと感染させ，　　　

　　　　　プラークアッセイ法によりウイルスの存　　　　　プラークアッセイ法によりウイルスの存在数を計測在数を計測

TiO2 （ 2mm ， 10粒）

キャビテーション

C1 添加しない 振動印加しない

C2 添加する 振動印加しない

E1 添加しない 振動印加する

E2 添加する 振動印加する

プラークアッセイ法による影響評プラークアッセイ法による影響評価価

１．大腸菌とウイルスを混合１．大腸菌とウイルスを混合し感染させるし感染させる

２．寒天培地上に１．を均一２．寒天培地上に１．を均一にまき，にまき， 32℃32℃ 下で下で 1212 時時間おく間おく

３．大腸菌が増殖し表面が白３．大腸菌が増殖し表面が白くなるくなる

４．ウイルスが感染した大腸４．ウイルスが感染した大腸菌は増殖できず菌は増殖できずプラークプラークを形成するを形成する

５．５．プラーク数＝ウイルスのプラーク数＝ウイルスの数数なのでプラークの数をなのでプラークの数を計測　する計測　する

プラーク

検証結果検証結果 11 　振動周波数依存性　振動周波数依存性(( 交流励磁電流交流励磁電流 5A5A ，駆動時間，駆動時間 2020 分分 ))

周波数が大きくなるに周波数が大きくなるにつれウイルスがより不つれウイルスがより不活性化活性化

どの周波数下でもどの周波数下でも E1E1 ととE2E2 に大きな差異は見らに大きな差異は見られなかったれなかった

C1 水中で暗所保管

C2 TiO2 添加＋水中で暗所保管

E1 振動印加

E2 TiO2 添加＋振動印加

検証結果検証結果 22 　駆動時間依存性　駆動時間依存性(( 交流励磁電流交流励磁電流 5A, 5A, 振動周波数振動周波数 120Hz)120Hz)

駆動時間が長くなると駆動時間が長くなると　 ウイルスがより不活性　 ウイルスがより不活性

化化 6060 分間の駆動で分間の駆動で 9999％％

のウイルスを不活性化のウイルスを不活性化させることができたさせることができた

C1 水中で暗所保管

C2 TiO2 添加＋水中で暗所保管

E1 振動印加

E2 TiO2 添加＋振動印加

6.6. まとめ・今後の課題まとめ・今後の課題 キャビテーション崩壊時に生じたキャビテーション崩壊時に生じた圧力衝撃波圧力衝撃波およおよび　び　熱分解作用熱分解作用によるウイルス不活性化影響が見によるウイルス不活性化影響が見られたられた

6060 分間のアクチュエータ駆動により二酸化チタ分間のアクチュエータ駆動により二酸化チタンをンを

　添加せずともウイルスをほぼ　添加せずともウイルスをほぼ完全に不活性化完全に不活性化させさせるる

　ことができた　ことができた今後の課題今後の課題他の他の影響評価方法を考え，キャビテーション崩壊によるを考え，キャビテーション崩壊による　ウイルスの不活性化をより確証づける　ウイルスの不活性化をより確証づける水質汚濁の原因となる水質汚濁の原因となる他の生物にも検証を行うにも検証を行う