磁歪振動子を用いたキャビテーション発生と殺菌・浄化作用に関する研究

1. A-1 磁歪振動子を用いたキャビテーション発生と殺菌・浄化作用に関する研究 The Study of Generation of Cavitation by Magnetostrictive Actuator and Effect of Sterilization and Purification 電子情報工学専攻 中村翔太郎

2. 発表の流れ 1.はじめに 　研究背景・目的 キャビテーション発生装置による微生物の殺菌メカニズム 2.　キャビテーション発生装置 3.キャビテーション発生装置の殺菌・浄化作用の検証 大腸菌の損傷評価 自然界における菌類の殺菌効果の検証 4.　まとめ

3. 1.はじめに 　研究背景・目的 キャビテーション発生装置による微生物の殺菌メカニズム 2.　キャビテーション発生装置 3.キャビテーション発生装置の殺菌・浄化作用の検証 大腸菌の損傷評価 自然界における菌類の殺菌効果の検証 4.　まとめ

4. 研究背景 2次生成物 殺菌 水槽内にレジオネラ菌等の菌が存在 →　肺炎などの病気の原因 塩素 有害物質 光触媒によるラジカルを利用した薬品を使用しない水質浄化の研究 キャビテーション発生機構を提案し，クーリングタワー水槽などの，薬品を使用しないバイオ環境の浄化を目指す

5. 液体 P 沸騰 圧　力 固体 Pv 気体 キャビテーション 温　　度 キャビテーション現象 　液体を微小時間内に断熱膨張させると，無数の小さな泡が発生・崩壊する現象　 　気泡（キャビテー）崩壊時に微小空間に大きな熱・圧力衝撃波 ・超音波洗浄などで有効利用 ・TiO2と併用でラジカル発生 水の状態図のモデル キャビテーション衝撃波

6. キャビテーション崩壊エネルギー＞3.2 eV TiO2 二酸化チタンの励起過程 ・　キャビテーション崩壊エネルギーによりTiO2が励起され，電子eCBと正孔hVBが　　生じる ・　チタン表面の吸着水や酸素と反応し，　　ラジカル生成 ヒドロキシルラジカル ・OH H2O hVB+ + H2O → H+ + ・OH hvb+ eeb- ・OH ・　活性酸素の中では最も反応性が高く，　　最も酸化力が強い ・　たんぱく質や脂質，核酸（DNA，RNA）　　などあらゆる物質と反応するため，農　　薬などの難分解性化学物質を分解で　　きる O2 + eCB-→ O2- O2 ・O2- TiO2 → TiO2(hVB++ eCB-) スーパーオキサイド アニオンラジカル

7. 装置駆動によるキャビテーション発生と微生物への影響装置駆動によるキャビテーション発生と微生物への影響 Unit:mm 化学的・バイオメカニズム 機械的メカニズム 103 磁歪アクチュ エータ キャビテーション Gaiant magnetrostrictive actuator 193 振動エネルギー TiO2励起 Piston – cylinder mechanizn ピストン－ シリンダ機構 ラジカル生成 （・OH，・O2） 160 衝撃波 水媒質 大腸菌殺菌 ウイルス不活性化

8. 装置駆動によるキャビテーション発生と微生物への影響装置駆動によるキャビテーション発生と微生物への影響 Unit:mm 103 RNA 193 ウイルス粒子 RNA流出 DNA・RNA ？ 160 キャビテーション発生装置 大腸菌

9. 研究目的 ＜自然界の菌類における殺菌効果の検証＞ 大腸菌が装置駆動によりどのような状態になるか 浅野川の支流の水を用い、装置駆動により自然界の菌類が殺菌できるか検証 ・　紫外線吸収法による損傷評価　 ・　電気泳動法による損傷評価

10. 1.はじめに 　研究背景・目的 キャビテーション発生装置による微生物の殺菌メカニズム 2.　キャビテーション発生装置 3.　キャビテーション発生装置の殺菌・浄化作用の検証 　 大腸菌の損傷評価 　 自然界における菌類の殺菌効果の検証 4.　まとめ

11. 磁歪現象 強磁性体に磁界を印加すると，磁界方向に寸法変化を起こす現象 Magnetic field

12. キャビテーション発生装置 超磁歪アクチュエータは超磁歪素子Terfenol-Dの伸縮によって変位を得る装置

13. キャビテーション発生装置 Unit:mm Giant magnetostrictive actuator Magnetostrictive material ( Terfenol - D) Exciting coil Piston - cylinder mechanism 160 20 超磁歪アクチュエータの振動が水媒質に伝わり，キャビテーション発生を狙う 120 ＜求められる振動子の性能＞ ・真空発生のための数百 kgの発生力 ・小型 ＜Terfenol-D＞ 超磁歪素子 キャビテーション・ラジカル 発生領域

14. 1.はじめに 　研究背景・目的 キャビテーション発生装置による微生物の殺菌メカニズム 2.　キャビテーション発生装置 3.　キャビテーション発生装置の殺菌・浄化作用の検証 　 大腸菌の損傷評価 自然界における菌類の殺菌効果の検証 4.　まとめ

15. 大腸菌の損傷評価 • 水系に生息する細菌のモデル：大腸菌 • 2 mm長，直径0.5 mmfの棒状菌であり，環境中に存在する主要なもののひとつ • サルモネア菌・赤痢菌などの水系感染性細菌と似た特徴を持ち，　　　　日本の水道法では検出されてはならない菌に指定 2 mm 大腸菌E. coli (Escherichia coli)

16. Bacillus 透析膜を用いた検証方法 ・ 分画分子量15,000 Da，細菌類などの高分子は通れず，水分子(分子量18 Da) は通過可能 ・ 透析膜内にキャビテーション，ラジカルが生成 Dialysis film XL1-Blue H2O H2O H2O H2O

17. 透析膜を用いた検証方法 Exposure（振動印加有） Control（振動印加無） Unit:mm 103 Exposureと平均温度が等しくなるよう調整 193 サンプル 160 キャビテーション，ラジカルの影響を個別に検証 暗所密閉 光によるTiO2励起を 防ぐため遮光

18. 紫外線吸収法による大腸菌の損傷評価 紫外線吸収法 　多くの有機物は紫外部に特有の吸収帯をもっており，その特徴を利用して物質を定量する方法 細胞膜 紫外線吸収の極大 DNA・RNA 　タンパク：280 nm DNA・RNA：260 nm 装置駆動後の大腸菌液に対し， 分光光度計にて吸光度を計測 大腸菌

19. 紫外線吸収法によるタンパク・DNA流出の評価結果紫外線吸収法によるタンパク・DNA流出の評価結果 駆動条件：5 Arms，240 Hz，30 min E2 E2 ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ E1 C2 E1 C2 C1=0 Condition ラジカルによる大腸菌のタンパク，DNA・RNA流出　を示唆する結果が得られた

20. DNA電気泳動法による大腸菌の損傷評価 アガロースゲル電気泳動 核酸を長さに応じて分離する手法 Molecules Charge Gel ＋ 核酸の長さが長いほどゲルの中を進みにくい Electronic field Movement of molecules 核酸を長さで分離可能 －

21. Size marker E2 （Remove RNA） C1 E2 C2 E1 DNA電気泳動法による大腸菌の損傷評価の結果 Large 駆動条件：5 Arms，240 Hz，30 min 21.23 kbp 5.15 kbp Molecular size 2.02 kbp TiO Particles 2 Dialysis film 0.95 kbp Condition RNA Small ラジカルにより，DNA・RNA流出後さらにこれらが分解されることを確認した

22. 自然界の菌類における殺菌効果の検証 環境中に存在する菌類 ・　枯草菌 ・　緑膿菌 ・　コウジカビ ・　アクレモニウム など TiO 2 コロニーアッセイ法による 検証 浅野川の支流

23. コロニーアッセイ法 大腸菌の生菌数を数えるための手法 • 寒天培地上に試料の菌液を均一にまき，37 ℃下で15時間培養 • 菌は寒天培地上で移動できず，その場で増殖　→　コロニーを形成 • コロニーの数＝大腸菌の生菌数なのでコロニーの数を計測する コロニー コロニーの数少　　　　殺菌効果大

24. 自然界の菌類における殺菌の検証結果 駆動条件：5 Arms，240 Hz，30 min E1 C1 E2 C2

25. 自然界の菌類における殺菌の検証結果 駆動条件：5 Arms，240 Hz，30 min ＊ ＊ E.coli TiO Particles 2 Dialysis film C1－E1間 C2－E2間で有意差 E1 E2 ・ラジカルにより，川の水が93 %殺菌 ・大腸菌と比べ，川の菌類　が弱い傾向にある Condition

26. 1.はじめに 　研究背景・目的 キャビテーション発生装置による微生物の殺菌メカニズム 2.　キャビテーション発生装置 3.　キャビテーション発生装置の殺菌・浄化作用の検証 　 大腸菌の損傷評価 自然界における菌類の殺菌効果の検証 4.　まとめ

27. まとめ キャビテーション発生装置駆動による ・ 大腸菌を用いた損傷評価 ・ 浅野川の支流の水を用いた殺菌効果の検証 ＜大腸菌の損傷評価＞ 　紫外線吸収法，DNA電気泳動法から，ラジカルにより細胞膜が 分解され，中のDNA・RNA流出　　　　分解 ＜自然界の菌類における殺菌効果の検証＞ 自然界の菌類: 240 Hz, 30分間駆動　　　 93 %の菌類を殺菌 ・　装置駆動後の大腸菌の状態を解明できた ・　装置が自然界の菌類に対しても有効なことがわかった ・　キャビテーション発生量を増やすなどして殺菌効率の 　増大が課題

28. ご清聴ありがとうございました