UV-C-LEDs zur Desinfektion
Keine Chance für Keime
Gerade in der Corona-Pandemie ist das Interesse an Verfahren zur Desinfektion gewaltig gestiegen. Neben chemischen Methoden bietet sich ultraviolette Strahlung bestimmter Wellenlängen von 100 nm bis 280 nm zur Sterilisierung an.
Die desinfizierende Wirkung von UV-Licht ist bereits seit 1877 bekannt und wurde schon bei der Bekämpfung von Krankheiten wie Tuberkulose genutzt. In der Vergangenheit kamen Niederdruck-Quecksilberdampf-Entladungslampen zum Einsatz, die bei der keimtötenden Wellenlänge von 254 nm emittieren und relativ große Strahlungsleistungen bieten. Bis heute stellen sie oft die wirtschaftlichste Möglichkeit zur großflächigen Desinfektion dar. UV-C-LEDs bieten jedoch einige andere Vorteile. Sie enthalten keine gefährlichen Stoffe wie Quecksilber, sie lassen sich ohne lange Aufwärmzeiten einsetzen und sind auch für häufiges Ein- und Ausschalten geeignet. Vibrations- und Schockunempfindlichkeit sowie knappe Abmessungen sind weitere Vorteile. Die Covid-19-Pandemie hat Forschung und kommerzielle Verfügbarkeit von UV-C-LEDs noch einmal beflügelt, sodass sich mittlerweile UV-C-LEDs in vielen Bereichen einsetzen lassen.
UV-C-Licht schädigt DNA und RNA
Die UV-C-Desinfektion basiert darauf, dass UV-C-Strahlung die DNA beschädigt und die Vermehrung von Bakterien-, Pilz-, Pflanzen- und Tierzellen hemmt. Mit einem ähnlichen Mechanismus schädigt das UV-Licht die RNA von Viren, was zu ihrer Inaktivierung führt. Je mehr die RNA geschädigt wird, desto weniger ist das Virus in der Lage, andere Organismen zu infizieren. Für ein gutes terilisationsergebnis ist eine Kombination aus der richtigen Wellenlänge und einer hohen Strahlungsmenge erforderlich. Bild 1 zeigt das Spektrum einer UV-C-LED im Vergleich zur wellenlängenabhängigen RNA-schädigenden Wirkung.
Weil der Strahlungsfluss der UV-C-LED von Würth Elektronik mit einer Wellenlänge von 275 nm höher ist als bei anderen verfügbaren LEDs kürzerer Wellenlänge, ist sie sehr gut zur Sterilisation geeignet. Optimal wäre natürlich eine LED, bei der die Peak-Wellenlänge der Wellenlänge mit der maximalen RNA-Schädigung entspricht.
Allerdings zeigt Bild 2, dass LEDs mit diesen Wellenlängen aktuell noch einen kleineren Wirkungsgrad (Wall-Plug-Efficiency – WPE) und somit eine niedrigere optische Leistung und eine schlechtere Sterilisationswirkung haben.
Die Dosis macht‘s
Um zu quantifizieren, wie gut die Desinfektion funktioniert, wird der Begriff der »log-Reduktion« verwendet. Eine log-Reduktion von n bedeutet, dass nur 10–n der vorherigen Keime überlebt haben. Zum Beispiel bedeutet 1-log-Reduktion, dass nur 10–1 = 10 % der Keime überlebt haben, d. h. 90 % der Keime wurden inaktiviert. Bei 4-log-Reduktion überleben 10–4 = 0,01 %, d. h. 99,99 % wurden inaktiviert. Um diese Größenordnung an Keimabtötung zu erreichen, muss eine bestimmte Menge an UV-C-Strahlen über eine gewisse Dauer auf die Keime treffen. Diese Menge wird als Dosis (Bestrahlungsstärke × Belichtungszeit) bezeichnet und in J/m2 gemessen. Für 1-log-Reduktion ist die Dosis D90 die Menge an UV-C-Licht, die benötigt wird, um 90 % der Keime zu inaktivieren. Für eine 4-log-Reduktion wird die Dosis D99,99 benötigt, um 99,99 % der Keime zu inaktivieren. Um den Wert für die D99,99-Dosis abzuschätzen, kann man die D90-Dosis einfach mit dem Faktor 4 multiplizieren.
Eine Reihe von Studien hat die D90-Dosis für Viren, andere Keime und speziell für das Coronavirus untersucht. Aufgrund unterschiedlicher Versuchsaufbauten variiert diese Dosis stark zwischen den verschiedenen Forschergruppen. Die in Tabelle 1 angegebenen Werte sind dabei Einzelergebnisse bzw. Medianwerte von einzelnen Forschungsgruppen. Obwohl diese Studien mit UV-C-Niederdrucklampen durchgeführt wurden, kann man für eine 275-nm-LED eine ähnliche D90-Dosis annehmen, da die schädigende Wirkung bei den 254 nm, die hauptsächlich von UV-C-Niederdrucklampen emittiert werden, ähnlich ist (vergleiche Bild 2).
In einer deutschen Wasserdesinfektionsrichtlinie wird für die Desinfektion mit UV-C-Niederdrucklampen ein Wert von 400 J/m2 für die Wasserdesinfektion gefordert. Dieser Wert ist höher als die D90-Dosis für die meisten typischen Keime und kann als Richtwert für die Auslegung von Desinfektionsanlagen angesehen werden. Da allerdings das Desinfektionsergebnis von vielen Bedingungen wie den Oberflächeneigenschaften oder der Absorption der UV-C-Strahlung abhängt, müssen für jedes System Studien durchgeführt werden, um die zuverlässige Desinfektion nachzuweisen.
Beim Design von Desinfektionsanwendungen ist es wichtig zu verstehen, wie eine bestimmte Dosis erreicht werden kann. Diese Größen spielen eine Rolle:
➔ Strahlungsfluss: Der Strahlungsfluss (Radiant Flux) ist die gesamte abgestrahlte optische Leistung der LED und wird in Watt angegeben. Dieser Wert lässt sich dem Datenblatt entnehmen.
➔ Bestrahlungsstärke: Die Bestrahlungsstärke ist die Menge des Strahlungsflusses, die von einer Oberfläche pro bestrahlter Fläche absorbiert wird, und wird in der Einheit W/m2 angegeben. Diese Bestrahlungsstärke kann simuliert oder für verschiedene Konfigurationen von LEDs gemessen werden.
➔ Belichtungszeit: Die Zeit, die eine Oberfläche der Strahlung ausgesetzt ist.
➔ Bestrahlung: Die Bestrahlung oder Fluenz ist die Energiemenge, die von einer Oberfläche absorbiert wird. Sie errechnet sich aus Bestrahlungsstärke multipliziert mit der Belichtungszeit.
➔ Dosis DXX: Die Dosis ist die Energiemenge pro Oberfläche, die erforderlich ist, um einen bestimmten Prozentsatz der Desinfektion zu erreichen (XX % Inaktivierung). Um ein bestimmtes Maß an Desinfektion zu erreichen, muss die Oberfläche so lange bestrahlt werden, bis sie eine Bestrahlung akkumuliert hat, die der gewünschten Dosis entspricht.
Das bedeutet, dass die Zeit, die für ein gewünschtes Desinfektionsergebnis benötigt wird, abgeschätzt werden kann, wenn man die gewünschte Dosis und die Bestrahlungsstärke des Systems kennt.
- Keine Chance für Keime
- Simulationsbeispiel
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