COVIDに対して室内の空気を適切にきれいにする方法

May 20, 2023

オミクロンの変異種はワクチン接種済みと未接種のアメリカ全土に急速に広がり、驚くべき数のアメリカ人が依然として死亡しているため、多くの人は今後数か月で何が起こるのか、今後どのようにして新型コロナウイルス感染症から身を守り続けるのか、感染するとしたらいつになるのか疑問に思っている。生活は本当にパンデミック前の通常に似たものに戻るでしょう。 良いニュースは、このパンデミックは、効果的なワクチン、感染による集団免疫、そしてウイルスのさらなる進化により、最終的には終息するということです。 悪いニュースは、季節性インフルエンザと同様に、新型コロナウイルスの変異種は今後何年も続く可能性があり、呼吸器ウイルスのパンデミックはこれが最後ではないということです。 私たちは長年、毎年恒例の伝染性呼吸器感染症に悩まされてきましたが、新型コロナウイルス感染症予防策期間中のインフルエンザや風邪の発生率が例外的に低かったことから、この苦しみのすべてが必要なわけではないことが証明されました。 したがって、特にマスクが一般的に使用されなくなる時期や場所では、屋内でのウイルスの蔓延をどのように減らすことができるかを明確かつ科学的に考える必要があります。

屋内環境を本当に安全にするのに役立つ効果的な工学的制御はあるのでしょうか?

はい、この記事の目的は、人から人へのエアロゾル感染が発生している部屋の空気消毒に重点を置くことの重要性を強調することです。 これらのテクノロジーがそれぞれどのようなもので、どのように効果的に機能するかを説明しましょう。

このパンデミックが始まって以来、ビル管理者、空港運営者、レストラン経営者、そして一般の人々には、労働者、旅行者、顧客を SARS-CoV-2 の感染から守るための最新かつ最高のテクノロジーがあると主張する製品の宣伝が殺到しています。 製品は、表面消毒剤、空気濾過機、イオン発生器、および手持ち式の杖から部屋全体の照射器やウォークスルー ポータルに至るまで、多数の殺菌紫外線 (GUV) 装置など、多岐にわたります。 オランダの想像力豊かな建築会社は、安全で殺菌効果のある 222 ナノメートルの紫外線を都市の広場全体や屋外スポーツエリア全体に浴びせることを計画しました。それが「アーバン サン」プロジェクトです。 Sharper Image のギフト カタログには、首にかける小型のイオン発生器など、空気または表面を消毒するガジェットが 14 個以上掲載されています。

これらのデバイスのすべてが宣伝文句どおりに機能するわけではありません。 他のものはほぼ確実にまったく効果がありません。 課題は、空気感染病原体の拡散を制限するという当社の継続的な取り組みにおいて、実際に重要な役割を果たす可能性のあるものを製品の中から識別することです。

マーケティング担当者は、業界が後援するテストの結果を広告ですぐに提示し、通常、粒子またはテスト細菌またはウイルスの「99.9%」以上の削減を主張します。多くの場合、これらの削減は、デバイスを通過する前後の空気中のテスト微生物の濃度を比較しますが、そうではありません。デバイスが使用される部屋で何が起こるか、それが長期的に重要なすべてであるこれらの企業主催のテストの詳細は通常不足しており、よくある問題の 1 つは、部屋の除染が行われる速度について言及していないことです。多くの場合、これは実用にするには遅すぎます。たとえば、装置は空気汚染率 99.9% を主張することがありますが、テストが 24 時間にわたって実施されたことは細字でのみ示されます。これは、座っている場合には役に立ちません。感染者がいる部屋。人から人への感染拡大を防ぐために重要なのは、数分でのクリアランスです。検査が管理され、偏りなく、他の技術と適切に比較されたり、現実の状況下で実施されたりすることはほとんどありません。 公平に言えば、特に新型コロナウイルス感染症のような無症状のことが多く、気付かれない可能性のある感染症を減らすための介入の有効性を証明することは極めて困難であり、費用もかかる（特に米国のような検査能力が著しく不足している国では）。 ）、そして感染がいくつかの潜在的なルートで発生する可能性がある場合、または介入の場所以外の任意の数の環境で発生する可能性があります（スクールバスと教室など）。

約30年前、私は『感染制御と病院疫学』誌に同様のタイトルで、新型コロナウイルス感染症以前の世界規模で成人を死亡させる最大の感染症である結核（TB）の蔓延を防ぐための工学的アプローチについて、同様のタイトルの論評を書いた。 。 結核はもっぱら空気感染ですが、SARS-CoV-2、他のコロナウイルス、インフルエンザ、天然痘、さらには風邪さえもどのような手段で伝染するのかは必ずしも明らかではありませんでした。 パンデミックの初期には、COVID-19 のエアロゾル拡散は他の感染経路ほど重要ではないと考えられていました。 しかし、その拡散の大部分は吸入されたエアロゾルの結果であり、飛沫との直接接触に起因する量は少ないことが現在では明らかになっている。

屋外では、エアロゾルの希釈は無限大ですが、エアロゾルの雲が薄まるのにかかる時間は空気の動きによって異なります。 たとえば、屋外で煙の煙が風があるかどうかに応じてどのように残るか消えていくかを考えてみましょう。 しかし、屋内ではほとんどの場合、エアロゾルは屋外よりも長く残留し、多くの場合、同じ空間を共有する誰かが吸入するのに十分な長さになります。 言い換えれば、他の人も呼吸している屋内環境で呼吸する場合、ほぼ確実に、他の人が最近吐き出した空気を一定量吸い込むことになります。 部屋の二酸化炭素測定によって推定される再循環空気、いわゆる再呼吸空気の割合は、感染者が同じ部屋で感染性エアロゾルを発生させることを考慮すると、感染リスクの良い予測因子となります。

この記事の目的は、特定の企業や製品を宣伝することではありません。 結核対策における私の 40 年間のキャリアのほとんどは、迅速で効果的な結核治療などの工学的および非工学的制御戦略に焦点を当てていましたが、市場が主に貧しい国にあったため、結核関連製品に対する商業的な関心はほとんどありませんでした。 新型コロナウイルス感染症（COVID-19）がそれを変えた。 突然、学校、病院、さらにはレストランにおいても、空気感染対策に対する商業的な関心が高まり、有効性の主張を評価し、適切な推奨を行う際に、科学的原理と厳格な試験を適用する必要性が高まっています。

自然換気または機械換気は、屋内の空気感染のリスクを軽減する主な方法です。 病院の空気感染の隔離室および処置室では、米国疾病管理予防センター (CDC) は、感染のない屋外の空気、または濾過またはその他の方法で除染された空気を使用して、1 時間あたり 6 ～ 12 回の部屋の空気交換 (ACH) を推奨しています。 1 つの ACH は、部屋の体積と同じ体積の空気が 1 時間にわたって出入りするときに発生します。 新鮮な空気が入ってきて汚染された室内空気と混合するため、1 回の空気交換ですべての汚染空気が除去されるわけではありません。 よく混合された条件下では、1 回の空気交換で室内空気汚染物質の約 63% が除去され、2 回目の空気交換で残留物の約 63% が除去されます。 しかし、現実の状況下では、換気によって達成される保護は、時間の経過とともに、つまり感染者によって追加される汚染物質（この場合はウイルス）の量と、感染の伝染力にも依存します。 ウイルスの感染力が強いほど、濃度を低く保つために必要な感染のない換気が必要になります。 たとえば、Omicron の場合、6 ～ 12 ACH の換気、または同等の空気消毒では感染を防ぐのに十分ではない可能性があります。 残念ながら、空気消毒によってすべての感染を防ぐことができるわけではありません。たとえば、ある人が生成したウイルスを他の人が吸入する前に除去または不活化する時間がない非常に近距離での感染です。

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機械換気装置のない住宅や古い建物の多くでは、ドアや窓の周りの空気漏れにより、ACH が約 1 以下になる可能性がありますが、窓が開いているときは、建物のデザイン、方向、屋外の気象条件によっては、ACH が大幅に高くなる可能性があります。 ただし、冷暖房を経済的に行うために、窓は通常、特に機械的に換気される大型の建物では設計により閉じられているか、外気温に応じて居住者によって閉められています。 自動機械換気システムは、非常に寒いまたは暑い屋外条件下で最小限の量の外気を取り込むことが多く、その結果、ほとんどの空気が建物内で再循環され、空​​気汚染物質が除去されるのではなく再循環されます。

部屋の換気量と感染リスクの関係は直線的ではありません。つまり、換気量が 2 倍になっても、空気汚染物質の濃度は約半分しか減少しません。 これは、劣悪な換気を 1 ACH から 2 ACH に 2 倍にすると、たとえば換気量を 6 ～ 12 ACH に倍増して保護を強化するよりも、室内居住者の保護が比較的大きく改善されることを意味します。 これは、空気汚染物質が少ない場合、それらを希釈して除去するためにより多くの空気の動きが必要になるためです。 さらに、換気率の増加にはコストがかかり、多くの場合、より大型のファン、送風機、換気ダクト、およびより多くの電力が必要になるだけでなく、暖房、冷房、除湿能力の向上も必要になります。 同時に、前述したように、はるかに感染性の高い Omicon 亜種の場合、高いウイルス濃度と感染力に対応するために非常に高い換気率が必要です。 したがって、機械換気は感染のリスクを軽減するのに十分ではない可能性があるため、公共の建物の機械換気は他の空気消毒方法で補う必要があります。 SARS-CoV-19 のような現在および将来のウイルス病原体に対しては、補助的な空気消毒による比較的高レベルの「同等の」換気が必要となります。

粒子状の空気汚染が発生した場合、標準的な工学的対応は空気を濾過することです。 高効率エアフィルターを建物の換気システムに使用すると、吸入可能なサイズの粒子の 99.9% 未満が部屋に再循環されることが保証され、本質的に再循環された空気が感染のない屋外の空気と同等に変換されます。 一部のフィルターメーカーは、UV、双極性イオン、コールドプラズマ、またはその他のテクノロジーによるウイルスの不活化が単純な保持よりも有利であると自慢していますが、室内でのリスクには実質的な違いはありません。 重要なのは、環境に適応した結核菌や真菌の胞子は換気ダクトを通って容易に広がり、これは理論的にはSARS-CoV-2ウイルスでも可能である一方、新型コロナウイルス感染症が部屋から部屋へ、または床から拡散したという説得力のある報告は、たとえあったとしてもほとんどないことである。唯一の例外は、中国の高層マンションで、換気ダクトを通さず、欠陥のある配管スタックを通って廃水で汚染された空気が拡散したという単一の報告である。

いくつかの空気感染伝播経路を識別することはしばしば困難ですが、換気ダクトを介した感染の報告が明らかに少ないのは、部屋や換気ダクトで希釈されるにもかかわらず、SARS-CoV-2などのエンベロープウイルスのよく知られた脆弱性を反映している可能性があります。感染用量未満の濃度にすることも役割を果たしている可能性があります。 重要なのは、換気ダクト内の空気の再循環が建物内での新型コロナウイルス感染症の伝播に大きく寄与していない場合、拡散を防ぐための循環換気ダクト内の高効率フィルターや殺菌性 UV の価値は推測の域を出ず、せいぜい限定的なものであるということです。 さらに、感染性の新型コロナウイルス感染症患者と部屋で空気を共有している人にとって、空気が部屋から出た後にのみ除染されると知っても、ほとんど安心できません。 より効果的な空気消毒戦略は、人から人への感染が発生する室内の空気を迅速に除染することです。

「事件が起こった部屋で」はハミルトンのミュージカルの曲ですが、空気消毒技術の応用への指針になる可能性もあります。 室内の空気除染を強化するための証拠に基づいたオプションには、換気の強化、ポータブル室内空気清浄機、部屋上部の殺菌 UV、および新しい部屋全体の遠 UV が含まれます。 イオン発生器は室内でも使用できますが、有効性に関する証拠は他のアプローチに比べてはるかに少ないです。

以下では、換気を強化したり、室内の空気消毒を補ったりするためのこれらの介入をそれぞれ説明し、比較します。

自然換気は、世界中で最も一般的な部屋の除染方法であり、適切な建物設計と良好な屋外条件があれば非常に効果的です。 しかし、悪天候時には窓が閉められることが多く、風の流れが必ずしも建物内の空気交換を良好にするとは限りません。 さらに、地球温暖化に伴い、効率の良いダクトレスエアコンの使用が増え、窓が閉められることになり、自然換気が減少し、空気感染のリスクが大幅に高まっています。 極度の大気汚染も、世界の一部の地域で空気消毒のための屋外空気の使用を制限するもう 1 つの要因です。 機械換気を備えた商業ビルの多くには開閉可能な窓がなく、内部空間が深いため自然換気が効果的ではないことがよくあります。

これらは、価格と性能の点で幅広いデバイスで構成されています。 これらは通常、ファンまたは送風機とエア フィルターを備えたボックスで構成されており、粒子を捕捉したり病原体を不活化するための UV またはより高度な技術の有無にかかわらず使用されます。 室内空気清浄機の有効性の主な決定要因は次のとおりです: 1) 部屋容積に対する処理される空気の流量 (清浄空気供給率)、2) 室内で生成される流れのパターン - デバイスの処理能力を決定します。デバイス近くの同じ空気を何度も再処理するのではなく、部屋のほとんどの空気を循環させます。 多くの用途では、室内空気清浄機は部屋の容積に対して小さすぎて、同等の ACH がほとんど発生しません。 しかし、適切なサイズにすると、邪魔にならないほど大きくなる可能性があり、多くの室内空気清浄機は、効果的なファン速度で動作させると、騒音が大きくなり、隙間風が発生します。 体育館では許容できるかもしれませんが、教室や礼拝堂では騒音が大きすぎます。 それにもかかわらず、少なくとも 6 同等の ACH を生成するサイズの室内空気清浄機は、空気感染の室内伝播を減らすための効果的な介入となり得ます。

2 階の殺菌 UV (GUV) 設備は 80 年以上の歴史のある技術で、十分に実証され、安全性が証明されていますが、空気感染対策としては十分に活用されていません。 上室 GUV は、「上室」(居住者の頭上) に細菌を殺すのに十分な紫外線を照射し、空気中の病原体を迅速に不活化することで機能します。 既知の病原性微生物はすべて DNA または RNA のいずれかを含み、GUV の影響を受けやすいです。 上部の部屋と下部の部屋の間で空気が混合されるため、占有されている下部の部屋の空気消毒率が高くなります。 1930 年代に、フィラデルフィア郊外の 2 つの学校の教室に上室 GUV 器具が設置され、器具のない教室と比較して、空気感染性呼吸器ウイルスの中で最も感染力の高い麻疹の蔓延を顕著に減少させることが説得力をもって示されました。 結核に対する抗生物質や小児ウイルス感染症、麻疹、おたふく風邪、風疹に対するワクチンが発見される前は、米国の医療現場で広く使用されていました。 1985年から1992年にかけて米国と欧州で結核が再燃した後、医療現場、ホームレス保護施設、刑務所、拘置所、その他の集団施設でGUVへの関心が新たに高まった。 それ以来、GUV は結核が蔓延している国々でその最大の用途が見出されましたが、空気感染に対する非常に有用な技術ではありますが、まだ開発が進んでいません。 新型コロナウイルス感染症により、GUV、アッパールーム、および遠紫外線と呼ばれる新しく開発された短波長への関心が再び高まっています。 可視照明に関しては、GUV 用のより効率的な LED 光源が急速に開発されており、近い将来、上階の部屋で使用される主流の技術となる可能性があります。

遠紫外線 222 nm の UV を指します。これは、浮遊ウイルスや細菌に対して同等以上の効果を発揮しますが、目の表面を覆う薄い液体の層や皮膚の最外層さえも透過できないという顕著な特性を持っています。 従来の上室用 UV は、人がいる部屋の空気を消毒するために長い間安全に使用されてきましたが、遠 UV はより安全でありながら、確立された暴露ガイドライン内で使用した場合、軽度の目や皮膚の炎症を引き起こす可能性はほとんどありません。 太陽光紫外線が皮膚がんの原因となる皮膚細胞の深層には届きません。 遠紫外線源には、有害な可能性がある不要な長波長紫外線への曝露を防ぐための効果的なフィルターが必要です。 現在の遠紫外線設備の用途には、空気の処理や、バー、サロン、レストランのテーブル、エレベーター、その他の接触の多い環境など、従業員と顧客の間のカウンターが含まれる可能性があります。 遠紫外線は現在、ボストンのホームレス保護施設、ボストンのナイトクラブやピアノバー、さらにいくつかの重要な米軍用途などで使用されています。

機械換気や室内空気清浄機と比較して、GUV は安価ではるかに効果的です。 部屋上部の GUV は、たとえば天井が 9 フィートの部屋の上部 2 フィート (20%) など、一度に大量の空気を除染します。 居住者、換気口、またはファンによって生成される上昇する暖かい空気によって下層室と上層室の間の空気が混合され、下層の居住中の部屋の空気消毒率が高くなります。 南アフリカの病院で行われた対照研究では、浮遊結核菌の GUV 不活化が 24 ACH に相当し、ほとんどの機械換気システムや室内空気清浄機の能力をはるかに超えていることが示されました。 独立研究者らは、ロシアの空いている病室にテスト細菌をエアロゾルで注入し、機械換気装置、上部病室のGUV、および3つの市販の室内空気清浄機を比較した。 彼らは、同じ量の空気消毒を行う場合、上室の GUV は機械換気よりも約 9.4 倍の費用対効果が高いことを発見しました。 換気に比べて潜在的なエネルギー節約に基づいて、米国エネルギー省は、空気および表面の消毒のための LED UV 技術の商業開発と導入を支援しています。

GUV の広範な受け入れと応用には、技術への馴染みのなさ、特に安全性への懸念など、いくつかの障壁がありました。 GUV が安全性への懸念を引き起こす主な理由は、GUV が太陽光の UV と同じであるという一般の認識です。 しかし、すべての紫外線が同じというわけではありません。 皮膚がんに関連するのは、より組織を透過する太陽光に含まれる長波長の UV (UV-A および UV-B 放射線) への皮膚への曝露であり、白内障を伴う太陽光への眼への曝露であるのに対し、より短波長の GUV は目や皮膚の表面を遠くまで浸透します。確立された曝露制限内で、白内障を引き起こす目の水晶体や、がんを誘発する可能性のある皮膚の深層に到達することはありません。 前述したように、遠紫外線は透過性がはるかに低く、部屋の居住者が直接さらされても安全です。 安全で効果の高い UV システムが受け入れられ、より広範に導入されるには、プロのエンジニア、建築家、安全担当者だけでなく、一般の人々の教育も必要です。

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しかし、市場に出回っているすべての GUV デバイスが妥当な利点という点でテストに合格するわけではなく、これらにより実証済みのアプリケーションの信頼性が損なわれます。 商業用途と家庭用途の両方を対象とした GUV デバイスの例は数多くありますが、それらは証拠に基づいておらず、新型コロナウイルス感染症の感染を減らすのに効果的である可能性は低いです。 たとえば、首に装着するように設計された小型の GUV 空気消毒装置では、エアロゾルの感染を減らすのに十分な空気を移動させることはできません。 あるいは、別の例として、携帯電話を除染するために設計された UV 源を備えた小さな箱は、時折アルコールで拭くのと同じ程度である可能性があります。 同様に非合理的なのは GUV ワンドです。なぜなら、表面上で杖を振るときに有効な殺菌量が送達されるかどうかは予測不可能であり、目や皮膚への偶発的な直接過剰暴露を避けるために低出力でなければならないからです。 さらに大きな規模では、GUV ポータルが販売され、建物の入り口や出口で、そこを歩く人々を「消毒」するために使用されています。 これは、皮膚や衣服の大幅な除染が不可能であるだけでなく、呼吸器ウイルスは人間の気道に存在し、外部から除去することができないため、意味がありません。 最後に、屋外の広い空間を消毒するアーバン・サン・プロジェクトも同様に、希釈と上向き対流気流によって屋外が屋内よりもはるかに安全になっているため、同様に意味がありません。 屋内または屋内の混雑した状況下では、非常に近距離の人から人へのエアロゾル感染は、いかなる種類の空気消毒によっても阻止するのが難しい可能性があり、ワクチン、距離の確保、マスクなどの他の実証済みの介入が必要です。

正イオンと負イオンを生成するさまざまなイオナイザー (バイポーラ、ユニポーラ、コールド プラズマ) が市販されており、人がいる部屋や濾過システム内に直接導入して、感染性粒子をフィルターに引き寄せたり、互いに付着させたりして沈殿させます。空気中や表面に付着し、もはや吸い込むことができなくなります。 イオン発生器の作用メカニズムは完全には理解されておらず、ウイルスや細菌の直接的な化学的不活化が含まれる可能性があります。 イオン発生器はさまざまな製品に組み込まれており、業界が資金提供した性能テストに基づいた宣伝文句が付けられていますが、公表された独立した研究はほとんどありません。 ペルーのリマで行われた古い研究では、粗製イオン化システムが上の部屋の UV と直接比較され、結核菌による感染性の病院空気の除染に約 50% 効果的であることが示されました。 UVの効果は73%でした。 しかし、その研究室では、空気のイオン化には実用上重大な限界がありました。研究室の壁は黒いすすで黒くなり、それがイオン化して表面に沈着しました。 他の研究では、イオン化により酸素からオゾンや他の危険なイオンやガスが生成される可能性があることが示されています。 これらは、他の室内空気汚染物質との予期せぬ潜在的に有毒な化学反応を引き起こす可能性があります。 イオン発生器の安全性と有効性については、換気、室内空気清浄機、GUV などの確立された介入と比較して、より詳細な研究が必要です。

新型コロナウイルス感染症のパンデミックからほぼ 2 年が経過 、パンデミック後の世界が明らかになりつつあります。 ワクチンは依然として人から人へのエアロゾル感染を制御する主力である一方、社会的距離の確保とマスク着用の有効性は、完全には受け入れられたり実施されたりしていないにもかかわらず、科学的に証明されています。 新型コロナウイルス感染症（COVID-19）の大部分は屋内で広がる可能性が高いため、室内での生活をより安全にする空気消毒の役割は十分に活用されていません。 建物の自然換気と機械換気は、居住者の健康と快適性にとって非常に重要です。 自然換気は、最良の場合、エアロゾルによる感染のリスクを軽減するのに非常に効果的ですが、多くの気候や建物では実現可能ではなく、信頼性も高くありません。 機械換気は感染予防ではなく快適さを目的として設計されており、一般にほとんどの建物では、現在の新型コロナウイルス感染症変異種のような感染性の高いウイルスエアロゾルから身を守るために必要な換気率を達成できません。

屋内空間の場合、空気の消毒が感染を減らすための安全かつ効率的な方法であることは明らかです。 これらは同等ではありませんが、確立され実績のある 3 つの空気消毒技術は、機械換気、上部室 GUV、およびポータブル室内空気清浄機です。 このうち、上室用 UV は最もコスト効率が高く、安全であることが証明されており、今日すぐに導入して、新型コロナウイルス感染症 (COVID-19) やその他の呼吸器系ウイルスの感染を減らすことができます。 遠紫外線は利用可能であり、さらに安全で、部屋の居住者の周囲で機能し、部屋の空気の混合に依存しないため、より効果的な空気消毒技術となる可能性があります。 室内空気清浄機は、多くの部屋で十分な空気を静かに移動させる能力に制限がありますが、特に 1 時間あたり少なくとも 6 回の同等の空気交換が達成できる小さな部屋では、室内の空気を消毒する役割もあります。 効果的な空気消毒の導入は、新型コロナウイルス感染症（COVID-19）のパンデミックによって推進されているものの、季節性の呼吸器ウイルス、結核などの現在進行中の流行、そして次のパンデミックに対して準備ができていないことがないよう、建築基準法や慣行に取り入れられるべきである。

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