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魔法のバブル「ファインバブル」を徹底分析! 農業、養殖、食品から医薬品まで、ファインバブルのすべてがここに

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消えない・浮かない・見えない泡!?

と聞いて何をイメージしますか?

グラスから溢れんばかりのビールの泡?
ビールが苦手な人にとっては、透き通るようなシャンパンの泡?
子供にとっては、シュワっとするコーラ、ラムネ?

好きな人からすれば、どれも美味しい泡ですね。
しかし、飲んで美味しいだけが泡ではありません。
使うことでさらに“美味しい”泡が注目されています。

農業からヘアサロン、食品、介護、漁業、半導体、医薬品まで
広い分野で応用されている魔法のような泡の存在をご存知ですか?

そのバブルの三大特徴は、

消えない・浮かない・見えない

発見したのは日本人
20年前に発見された、歴史がまだ浅いバブル。

様々な産業で活用され、さらなる応用が期待されている革新的技術となっています。

2023年には世界的に65,000億円規模の市場となることが予想されています。

一体、どんなバブルなのでしょうか?

今回は、この謎めいた泡の正体に注目したいと思います。 

 

謎の泡の正体ー「ファインバブル」

この微細な気泡の名前は、「ファインバブル」。

ファインバブルは、国際標準化機構(ISO)によって100μm以下の泡と定義されています。
100μm以下といわれても、ピンとこないですよね。

髪の毛のサイズが80~100μm
ファインバブルは髪の毛の直径よりも小さな気泡になります。

ファインバブルはサイズによりさらに2つに分類されます。

ウルトラファインバブル(Ultrafine-Bubble: UFB):数十nm~1μm

マイクロバブル(Micro-Bubble: MB):1μm~100μm

出典:ファインバブル活用事例集

ウルトラファインバブルは以前、「ナノバブル」と呼ばれていましたが、現在はウルトラファインバブルと呼ばれています。

 

わかりやすくイメージ

マイクロバブルは次のように白濁して見えます。

出典:マイクロバブルの世界 森北出版株式会社

ウルトラファインバブルは目に見えません。
髪の毛よりもさらに細いのでイメージしにくいですよね。

私たち人間の身体と比べて、どれくらい小さいのでしょうか?

人間と比べたとき、ウルトラファインバブルは人間の約1億分の1の大きさになります。

ウルトラファインバブル×1億=人間の大きさ

とてつもなく小さい、ということがわかりますね。

 

マイクロバブル、ウルトラファインバブル、普通のバブルの違い

大きな違いは以下の2つです。

気泡の持続時間

気泡の浮上速度

普通の気泡(ミリバブル)は水中で急速に浮上し、水面で破裂します。

コーラを注いだグラスを横から眺めたことありませんか。

グラス内側を離れた気泡が急速に浮上していきますよね。

これに対し、マイクロバブルはゆっくりと浮上します。気泡内の気体が完全に溶解すると、水中で消滅します。

このとき、気体が溶け残ると、さらに気泡サイズが小さくなり、ウルトラファインバブルとなります

ミリバブルの寿命はわずか数秒程度。
マイクロバブルの寿命は2分程。
ウルトラファインバブルは数か月~半年持続することがわかっています。

ここで注目したいのが、

マイクロバブルは浮上し、
ウルトラファインバブルは水中に長く滞留する点。

これは、ウルトラファインバブルは小さすぎるため、
浮力がなく、水に押されて水中に長い間留まる
ため
です。

このように、ファインバブルは通常の気泡と比べ、「見えない」「消えない」「浮かない」という特徴を持っているのです。

※マイクロバブルは厳密には消滅しますが、ここではウルトラファインバブルも含めた特徴として表現しています。

 

日本発の革新的技術

「見えない」「消えない」「浮かない」というこれまでのバブルイメージを覆すファインバブル。

発見されたのは1998年
と、誕生からわずか20年

しかも、日本で誕生したものなのです。

発明者は大成博文教授(当時)。

きっかけは友人からの1本の電話でした。

赤潮でカキが全滅したから、何とかしてくれ!

大成教授はカキ被害改善の依頼を受けたのです。
戸惑う大成教授。

大成教授が開発したマイクロバブル発生装置を見たカキ養殖漁師の一言。

「この泡ならなんとかなるかもしれない」

これが大成教授を動かしました。

微細気泡を試したところ、目を疑う結果に。

通常のカキが5割、6割と死に始めているのに、
マイクロバブルをあたえたカキのほとんどが生きていました。

これがファインバブルの誕生でした。

 

ファインバブルの特徴

普通の気泡と違うのはサイズだけではありません。

次のような特徴があります。

 

▶高い気体溶解効果

ファインバブルは液体中に気体を大量に溶解させることができます。

これには気泡が液体に接する表面積(気液界面積といいます)が関係します。

気液界面積が大きいほど、気体を液体中に溶解させやすくなります

そして、気液界面積の大きさは、気泡の直径に反比例します。

つまり、気泡が小さければ小さいほど、気液界面積が大きくなり、気体をより液体中に溶解させることができます。

ファインバブルは通常の気泡と比べ、サイズが小さいですよね。したがって、気液界面積が大きな値となります。

気泡内の気体を効率よく液体中に溶解できるのはこのためです。

さらに、内部気体を変化させることで、水に対して異なる作用を与えることができるようになります。
例えば、内部気体を酸素(O2)とした場合。

水中の溶存酸素濃度を増加させることができ、トマト、レタスなどの農作物の生長を促進することができます。また、魚本来の色を保持する場合に利用されます。

内部気体を窒素(N2)とした場合。

水中の酸素を取り込んで、酸素の少ない水にすることができます。
これは魚の鮮度を保持するために使われます。

また、気泡が浮上する速度は、気泡直径の二乗に比例します。
直径が小さいほど、水面に上昇する速度が遅くなります。
ファインバブルが普通の気泡と比べ、水中で長い持続時間を有するのはこのためです。

 

▶収縮力と自己圧壊

一般に、気泡はその表面で液体と気体が接しており、表面張力が働いています。

表面張力は気液の表面積が一番小さくなるように働く力で、気泡を縮小させるように働きます。

最終的に気泡が破裂するときに高温・高圧が発生します。

このように、ファインバブルが瞬時に破裂する現象を圧壊といいます。

出典:株式会社ナノプラネット研究所

この時発生する高温は、太陽の温度に近く、高圧は指にお相撲さんを4人乗せるほどの圧力です。

圧壊現象では断熱圧縮に近い変化が気泡内で起きています。

断熱とは外部と熱の出入りがないことです。

このような状態で気泡が圧縮されると、気泡の体積が小さくなりますね。

熱が変化しない状態で体積が小さくなると、熱力学第一法則により、温度が上昇します。

具体的には内部エネルギーが増加するのですが、内部エネルギーの増加は、分子が持つ運動エネルギーが増えることになりますので、結果、温度も上昇することになるのです。

前述のとおり、ファインバブルが圧壊するとき、高温・高圧が発生します。
このとき、大量のフリーラジカルが発生します。
フリーラジカルは反応性が高いため、有機物を化学的に分解できることから、殺菌、消毒、洗浄などに利用されています。

 

▶帯電特性

ファインバブルの表面は上図のように負に帯電しています。

これは、水分子から分離したOH-イオンが気泡表面に集まるためといわれています。

ファインバブル同士は負に帯電しているため互いに反発しあい、気泡同士は結合しません。これにより、小さな状態を維持できます。

負に帯電しているということは、正に帯電した物質を吸着しやすいことになりますね。

このマイナス電荷の特性は、脱臭、水処理、農作物からセシウムなどの放射性核種を取り除く際の洗浄などに利用されています。

 

▶生理的特性

ファインバブルが消滅するときに、高温高圧が発生し、高いエネルギーが放出されます。

このエネルギーが生体に知覚神経刺激を与え、細胞の増殖や分化に作用するインスリン様成長因子-Ⅰ(IGF-Ⅰ)の産生を促進します。

これにより、血流量が増加することで体表温度を上昇させることができます。

また、育毛などの効果も期待できるとされています。

 

▶摩擦力を低減

半導体のウェハの薄膜化が進むにつれ、剥離工程でウェハを剥離する際に、ウェハが割れてしまうなどの問題がありました。

そこで、超音波の代わりに、ウルトラファインバブルが使われています。

ウルトラファインバブルが微細な隙間に入り込みウェハとウェハの間を広げ、そこへサイズがより大きなマイクロバブルが入り込んで、1枚1枚を剥離します。

このように、ウルトラファインバブルの存在によって、固体と液体の間の摩擦力を低減させることができます。

 

広がる応用分野・活用事例 ー農業から医薬品までー

 

▶農作物の生長促進に

農業従事者を悩ませる、いかにして根っこの隅々まで空気を送るか?という問題。

特に、ベランダなど土のない場所でも野菜作りができる水耕栽培では、水中に常に酸素が求められます。

出典:(株)PPL NEX

ファインバブルは表面がマイナスに帯電しています。
一方、肥料はNH4+、K+、Ca+、Fe+など、プラスに帯電しています。

ファインバブル水に肥料を添加すると、肥料はファインバブル表面に引き寄せられます。
肥料を吸着したファインバブル水が根から吸収されることで、肥料が効率的に植物に吸収され、成長を促進します。

同時に、
水中にたくさん酸素を溶解させることで、植物の生長を促進します

ミニトマトの水耕栽培で収穫量が約20%増加、レタスの水耕栽培で重量が約2.5倍に増加、という結果も出ています。

 

▶魚の鮮度維持にも利用

魚の鮮度維持にもファインバブルが応用されています。

実は、生きた魚には酸素が必要ですが、
死んだ魚には酸素は邪魔もの
酸素は、酸化と腐敗を促進するからです。

生きている魚には酸素を与えたい、
死んだ魚には酸素を与えたくない。
どうすればいいでしょうか?

バブルの内部気体を変えれば良いのです。

そこで、前述した、マイクロバブルとウルトラファインバブルの違いをうまく利用します。

鮮度を保持したい場合

窒素を入れたウルトラファインバブルを使います。

窒素マイクロバブル水の中に魚を置くと、
窒素マイクロバブル水が魚体内に浸透し、体内に残っている酸素を内包することで、酸素を取り除き酸化を防ぎます。

 

出典:北九州学術研究都市産学連携フェア新技術説明会

では、窒素マイクロバブル水はどのように生成するのでしょうか?

出典:(株)NANOX

まず、窒素マイクロバブルは、浮上しやすい特質から、
水中の酸素を内包した後、早く浮上して、バブルは破裂します。

一方、窒素ウルトラファインバブルは、サイズがより小さいため、
水中に滞留し、水中の酸素を内包し、低酸素状態の維持に寄与します。

魚の生長を促進させたい場合

酸素ウルトラファインバブルを使います。

酸素ウルトラファインバブルを活用することで、
出荷できるサイズに成長するまでの期間を数か月短縮できた事例が報告されています。

下が酸素ウルトラファインバブルを使用した魚。

出典:(株)NANOX

 

▶マヨネーズの口当たり改善に

カロリー制限、コストダウン、酸化防止に寄与

マイクロバブルが商品化された食品の一例が、キューピーの「シェフスタイルマヨネーズ」です。

出典:キューピー

当初の目的は、口当たりの良いマヨネーズを開発することでした。

しかし、口当たりがよくなるだけでなく、
摂取するカロリーを抑えることができ、コストダウンも図れる、という効果もあることが判明。

なぜカロリーを抑えられるのでしょうか?

マイクロバブルがマヨネーズに含まれる分、マヨネーズの量が減るため、カロリーを抑えることができます。

マヨネーズの量が減るということは、メーカーにとってはコストダウンにもつながりますね。

「シェフスタイルマヨネーズ」で使用しているのは、窒素のマイクロバブルです。

窒素のマイクロバブルは下図のように、
蓋を開けた際に入ってきた酸素を内包することで、マヨネーズの酸化を防ぎます。

 

酸素が窒素マイクロバブルに取り込まれるのはなぜでしょうか?

これはエントロピーの法則によります。
コーヒーにミルクを垂らすと、時間とともにミルクがコーヒーの中に拡散していきますよね。

このように、濃度の高いところから低い方へ移動するという法則により、
取り込まれた酸素は、酸素濃度が0%の窒素マイクロバブルの中へ移動するのです。

 

▶香りの封入

食品や飲料に香り分子を封入すると、味にも影響を与えてしまうという問題があります。

また、難溶性や不溶性の香り分子の場合、水に付与するのが難しい問題があります。

IDEC社の研究では、山椒を含んだウルトラファインバブルが、4週間後も香りを持続したことが確認されました。

下図のように、ウルトラファインバブル表面に山椒の香り分子が補足され、この状態でバブルが4週間後も消滅しなかったためと考えられています。

出典:IDEC社

 

▶オゾンバブルによる食品の殺菌

スーパーで見かけるカット野菜。

私もよく利用しますが、十分に殺菌されているか気になりますよね。

マイクロバブル化したオゾン水を使うと、
野菜の細胞膜を損傷することなく、カット野菜を洗浄・殺菌できることが報告されています。

塩素系薬剤とマイクロバブル化したオゾンとで、

殺菌効果の違いを検討した結果、両者はほぼ同じレベルでした。

次に、野菜細胞が受ける影響が比較されました。

細胞が損傷を受けた場合、色素が細胞内に入り込むので青く染まり、

損傷を受けていない場合は、細胞膜が色素が入り込むのを防ぐため、青く染まりません。

結果は、
塩素系薬剤では、細胞内が青く染まりましたが、
マイクロバブル化したオゾンでは、青く染まりませんでした。

マイクロバブル化したオゾン水は真ん中。

出典:ライオンハイジーン株式会社

殺菌効果は両者同じレベルでしたが、
殺菌による細胞のダメージは、マイクロバブル化したオゾン水では、
水道水と変わらないレベルに抑えられていることがわかりました。

 

▶広がる医薬品分野での活用

ドラッグデリバリーシステム(DDS)分野でもマイクロバブルを活用した研究が行われています。

ここで、薬の運び屋として活躍するリポソームについてご説明します。

出典:KOSE

リポソームは生体の細胞膜と同じ分子であるリン脂質の膜が重なった構造を持つカプセルです。

生体成分で構成されているため、毒性や抗原性が低いという特徴があります。

しかし、リポソームを血中に投与すると、肝臓や脾臓で補足されてしまい、届けたいところへ届けにくいという問題があります。

そこで、リポソーム表面をポリエチレングリコール(PET)で修飾したPEG-リポソームが開発されました。PEGで修飾することで、肝臓や脾臓で補足されにくい運び屋となりました。

PEG-リポソームの内部に抗がん剤を封入した商品がすでに実用化されています。

 

一方、細胞に薬を届けるためには、運び屋であるリポソームが細胞近くまで到達したときに、
細胞内に薬物をしっかりと手渡さないといけません。

そこで注目されたのが超音波でした。

 

液体に超音波を照射すると、空洞が生じます(キャビテーション)。

細胞への薬物導入にもこれが利用できないか検討されました。

つまり、細胞に超音波を照射すると、キャビテーションにより空洞が生じます。この空洞が圧壊するときに細胞膜に一過性の小さな孔が開くことを利用しようというものでした。

しかし、このときに必要となる超音波の強度が、生体にダメージを与えてしまうという問題がありました。

そこで利用されたのが、マイクロバブルです。

前述のPEG-リポソームに薬剤とマイクロバブルを封入します。

マイクロバブルを封入することで、マイクロバブルがない場合よりも低い強度の超音波でキャビテーションを起こすことが可能となります。

これにより、細胞内に薬剤を導入することが可能となりました。
薬剤だけでなく、遺伝子を導入するための研究も進められています。

出典:ResearchGate

さらに注目されているのが、脳内へのドラッグデリバリーです。

 

▶脳内への薬剤移行にも応用

なぜ、脳内へのドラッグデリバリーが求められているのでしょうか?

脳には血液脳関門(Blood-brain barrier, BBB)という強力なバリアが存在するためです。

BBBは、外部からの異物の侵入を防ぐバリアです。
しかし、これは同時に、薬物を脳内に届ける上で障壁となっていました。

脳の疾患治療のために使われている薬剤の多くは、BBBを通過することができません。
開頭手術に頼らざるを得ませんでした。

いかにして脳のバリアを突破するか?

研究者はこの難問に取り組んできました。
BBBを通過できなかった薬剤が、通過できるようになれば、
開頭手術に頼らずに治療する可能性が広がります。

BBB突破に希望をもたらしたのが、ファインバブルです。

2015年11月カナダ・トロントの脳外科グループが脳腫瘍患者に対し、マイクロバブルを投与し、BBBをオープニングさせ、抗がん剤を送達させることに成功したと発表しました。

フランスでも同様の報告が15例で報告されています。

いずれのケースでも、マイクロバブルと超音波の併用で、血管壁が緩くなり、その隙間から薬物が送達されています。

アルツハイマーの治療にも応用が期待されています。
アルツハイマーに罹患したマウスを使った実験では、プラークを除けたとの報告もあります。

 

ファインバブルの発生方法

さて、ここまでファインバブルの活用事例についてみてきました。

次に、ファインバブルの発生方法について、代表的な以下の方法を簡単にご紹介します。

旋回液流式

加圧溶解式

▶旋回液流式

まず、旋回液流式では、遠心分離の原理を利用します。

遠心分離器を回転させると、物質の比重の差により、比重の重いものは外側に、比重の軽いものは内側に分離されます。

装置に液体を送り込み、旋回させると、遠心力により液体が外側へ寄ります。

これにより、中心部の圧力が下がります(負圧)。この負圧により、気体が吸い込まれ、圧力が最も低い中心部を気体が通過します。

このように、遠心分離の原理を利用して、気体と液体が分離されます。
このとき、回転軸は超高速で回転しており、毎秒400~600回転しています。
この旋回速度は、スペースシャトルに装備されているターボジェットエンジンと同程度です。

この超高速旋回している気体が、装置の出口で噴出されるとき、噴出と同時に水によって旋回が急激に弱められます。
この前後で、急激な旋回速度差が生じ、これにより気体が安定して切断され、大量のマイクロバブルを発生します。

旋回液流式では動力源としてポンプを使う他には、使用するのは水と気体。
大量にマイクロバブルを発生できます。

大成教授が開発されたのがこちらの装置です。

出典:株式会社ナノプラネット研究所

発生する前と発生した後の写真です。

出典:株式会社ナノプラネット研究所

 

▶加圧溶解式

加圧溶解式は、高圧化で気体を大量に溶解させた後、減圧することでマイクロバブルを発生させる方法です。

気体と液体の混合物をポンプで加圧し、気体を液体中に過飽和に溶解させます。
次に、過飽和の溶液を減圧し、一気に開放することで、液体中にマイクロバブルを析出させます。

この他にも、マイクロバブルの発生装置として、メーカー毎に様々なものが開発されています。

 

5年後、ファインバブルの世界市場は65,000億円規模に

2023年には、ファインバブルの世界市場は65,000億円規模になると予想されています。

出典:平成28年度特許出願技術動向調査報告書(概要)ファインバブル技術

農業、養殖業、工業、食品から医療・ライフサイエンス分野まで、

広い分野で応用が期待される日本発のファインバブル技術。

今後も最新動向をチェックしていきます。

【参考】
加速するファインバブル技術の産業化
ファインバブル活用事例集
株式会社ナノプラネット研究所
平成28年度特許出願技術動向調査報告書(概要)ファインバブル技術
農業へのマイクロ・ナノバブル利用について
造影剤の基礎:マイクロバブルの発生技術
バブルリポソームを用いた DDS
超音波とマイクロバブルによる血管透過性亢進に基づく EPR 効果促進への期待
リピッドバブルと超音波によるセラノスティクスシステム
World first: blood-brain barrier opened non-invasively to deliver chemotherapy
Microbubbles open brain’s barrier to make chemo more effective
マイクロバブル発生装置の開発と技術的確立
IDEC社
北九州学術研究都市産学連携フェア新技術説明会

 

 

 

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