Verbesserung von Laborwasserqualität mit UVC LEDs

(Übersetzt aus dem Englischen, Geschrieben im Original von Mark Pizzuto, Direktor für Produktmanagement-Desinfektion, Crystal IS.)
(08.05.2017) Sauberes Wasser ist ist das am häufigsten verwendete Lösungsmittel in jedem Laborumfeld und daher ist die Qualität dieses Wassers für Experimente und Kernprozesse entscheidend. Point-of-use-Reiniger stellen 75% eines etwa 480 Millionen US-Dollar großen globalen Marktes für ultrareines Labor Wasser dar. Diese Systeme verwenden eine Kombination von Technologien, einschließlich Destillation, Umkehrosmose, Ultrafiltration, Deionisierung und UV-Desinfektion zur Herstellung von Typ 1, 2 und 3 Wasser und reichen von großen, zentralisierten Systemen bis hin zu kleinen Anlagen.


Traditionell haben diese Systeme für die Erzeugung von UVC-Licht zur Desinfektion Quecksilberlampen verwendet. Jetzt sind tiefe UV-LEDs als Technologie aufgetaucht, die eine kompakte, energieeffiziente, grüne Alternative darstellen. Da es sich hierbei nicht um einen einfachen Plug-and-Play-Ersatz für Lampensysteme handelt, sind neue Wege zur Berechnung der benötigten Leistung erforderlich. Durch das Verständnis der Auswirkungen der LED-Spektralemission auf Mikroben-Aktionsspektren können Ingenieure Lösungen der nächsten Generation entwickeln, um konsequent ein hochwertiges Laborwasser zu produzieren.

UVC LEDs bieten optimale germizide Wellenlängen

Bei der UV-Desinfektion ist Licht im Bereich von 250 nm – 280 nm am effektivsten bei der Inaktivierung der DNA von Mikroorganismen. Labor-Wasser-System-Designer haben sich in der Regel auf Niederdruck-Quecksilberbogen-Lampen konzentriert, die in einem keimtötenden Bereich bei 253,7 nm emittieren. Abbildung 1 zeigt, dass die Niederdruck-Quecksilberlampen-Emissionslinie die typische DNA-Absorptionskurve unterhalb der Peak-Absorption schneidet. Obwohl dies nicht die optimale keimtötende Wellenlänge ist, gibt es eine ausreichende Emission für die DNA-Inaktivierung.

Vergleich von UVC Lichtquellen, Quecksilberdampflampe im Vergleich UVC LED
Vergleich von UVC Lichtquellen, Quecksilberdampflampe vs. UVC LED im Bereich der typischen DNA Absorptionskurve

Die kontinuierliche spektrale Emission der UVC-LED liefert mehr Überlappung der kritischsten Wellenlängen für die Desinfektion und ist damit eine effizientere UVC-Energiequelle für diese Systeme. Diese Unterschiede in den Emissionsspektren erfordern jedoch eine neue Methodik, um die Desinfektionswirksamkeit zu berücksichtigen.

Bestimmung der keimtötenden Kraft von UVC LEDs

F&E-Ingenieure und Produktdesigner, die UVC-LEDs auswerten, benötigen einen systematischen Ansatz zur Spezifizierung und Vergleichung der nützlichen Desinfektionsleistung. In der gleichen Weise, dass Lumen, die Gesamtmenge des sichtbaren Lichts, die von einer Quelle emittiert wird, ein universelles Maß an Helligkeit liefert, basiert die nützlichste Spezifikation für Desinfektionsanwendungen auf der Identifizierung der Leistungsfähigkeit, die für die Inaktivierung von Krankheitserregern nützlich ist. Dies ist bekannt als die keimtötende Kraft.

Die genaueste Methode, um die keimtötende Kraft zu spezifizieren, erfordert zuerst, dass das spezifische Pathogen inaktiviert wird und dann sein Wirkungsspektrum bestimmt wird (d.h. das einzigartige Empfindlichkeitsmerkmal des Pathogens durch die Wellenlänge). Das Kreuzprodukt dieser Spektren mit den Emissionsspektren der jeweiligen UV-Quelle bestimmt ihre keimtötende Kraft.

Unterschiede in der Wellenlängenanfälligkeit

Während die Anfälligkeit eines Pathogens gegenüber UVC-Energie variiert, wird die Peak-UVC-Energieabsorption allgemein als irgendwo im Bereich von 265-270 nm verstanden. Abbildung 2 zeigt die Aktionsspektren für drei gemeinsame Ziel- oder Herausforderungspathogene, die bei der Konstruktion von Wasserdesinfektionssystemen verwendet werden.

Spezifische Absorptionsspektren von Mikroorganismen im UV Bereich
Spezifische Absorptionsspektren von Mikroorganismen im UV Bereich

Obwohl diese Pathogene alle eine Peak-Absorption bei etwa 265 nm aufweisen, gibt es eine Variation der Empfindlichkeit gegenüber diskreten Wellenlängen. Tabelle 1 veranschaulicht diesen Unterschied in der Wellenlängenanfälligkeit aufgrund ihrer spektralen Empfindlichkeit. Durch die Multiplikation der Emission von UVC-Dioden mit der Gewichtung können die F&E-Ingenieure die Leistungsabgabe in Bezug auf die zur Desinfektion des spezifischen Pathogens verfügbare Leistung bestimmen (d.h. die keimtötende Leistung der Lichtquelle).

Anwendung der keimtötenden Kraft für die kommerzielle Produktion

Als die Marktannahme für UVC-LEDs wächst, steigt auch die Zahl der Anbieter. Dies stellt mehr Auswahlmöglichkeiten für OEMs dar, zeigt aber auch Unterschiede in den Produktspezifikationen der Hersteller. Während der Produktentwicklung oder des Designs kann es sein, dass die Ingenieure die Spektren der diskreten LEDs beobachten, um optimale Leistungskriterien zu bestimmen. Allerdings fordern hochvolumige Hersteller einen systematischeren Ansatz zur Spezifikation der keimtötenden Ausgangsleistung. Dieser mathematische Ansatz der Faltung (Normalisierung der LED-Leistung in Bezug auf die keimtötende Kraft) hat diesen gewünschten Effekt. Während komplexe mikrobiologische Systeme keinen einheitlichen Ansatz bieten, der allen Bedürfnissen entspricht, ist dies ein Schritt nach vorne in der Vereinfachung, der es dem Ingenieur ermöglicht, nachhaltige Konstruktionen für die Herstellbarkeit zu schaffen.

Hochleistungs-UVC-LEDs ermöglichen es den Herstellern, von Quecksilberlampen zu Festkörperlösungen zu migrieren. Die Prüfung von UVC-LED-basierten Systemen hat eine keimtötende Wirksamkeit von mehr als 99,99% bestätigt und lässt wenig Zweifel daran, dass diese kompakten, langlebigen Energiequellen eine legitime Alternative zu etablierten Niederdruck-Quecksilberlampen-basierten Systemen sind.Labwassersystem-Innovatoren erkennen UVC-LEDs als tragfähige Lösung für die Entwicklung umweltfreundlicher, kostengünstiger Systeme ohne Einbußen bei der Wasserqualität im Labor.

(Übersetzt aus dem Englischen, Geschrieben im Original von Mark Pizzuto, Direktor für Produktmanagement-Desinfektion, Crystal IS.)

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