Es ist das am häufigsten verwendete Lösungsmittel in jeder Laborumgebung und daher ist die Qualität dieses Wassers für Experimente und Kernprozesse entscheidend. Point-of-Use-Reiniger machen jetzt 75 % eines weltweiten Marktes für ultrareines Laborwasser mit einem Wert von etwa 480 Millionen US-Dollar aus. Diese Systeme verwenden eine Kombination von Technologien, einschließlich Destillation, Umkehrosmose, Ultrafiltration, Deionisierung und UV-Desinfektion zur Erzeugung von Wasser der Typen 1, 2 und 3 und reichen von großen, zentralisierten Systemen bis hin zu kleinen Tischpoliereinheiten.
Traditionell haben diese Systeme Quecksilberlampen verwendet, um UVC-Energie für die Desinfektion bereitzustellen. Jetzt entwickeln sich tief ultraviolette (UVC) LEDs als praktikable Technologie, die eine kompakte, energieeffiziente und grüne Alternative bietet. Da dies kein einfacher Plug-and-Play-Ersatz für lampenbasierte Systeme ist, sind neue Wege zur Berechnung der erforderlichen Leistung erforderlich. Durch das Verständnis der Auswirkungen der spektralen LED-Emission auf die Wirkungsspektren von Mikroben können Ingenieure Lösungen der nächsten Generation entwickeln, um durchweg erstklassiges Laborwasser zu produzieren.
UVC-LEDs bieten optimale keimtötende Wellenlängen
Bei der UV-Desinfektion ist Licht im Bereich von 250 nm - 280 nm am effektivsten bei der Inaktivierung der DNA von Mikroorganismen. Konstrukteure von Laborwassersystemen haben sich in der Regel auf Niederdruck-Quecksilberbogenlampen verlassen, um diesen keimtötenden Bereich zu erreichen, die einen einzelnen Ausgang bei 253,7 nm emittieren. Abbildung 1 zeigt, dass die Emissionslinie der Niederdruck-Quecksilberlampe die typische DNA-Absorptionskurve unterhalb der Spitzenabsorption schneidet. Obwohl dies nicht die optimale keimtötende Wellenlänge ist, gibt es eine ausreichende Emission für die DNA-Inaktivierung.
Lichtquellenvergleich.png; Bildunterschrift:Spektraler Vergleich einer Niederdruck-Quecksilberlampe gegenüber einer LED in Bezug auf die typische DNA-Absorptionskurve.
Die kontinuierliche spektrale Emission der UVC-LED liefert eine größere Überlappung der kritischsten Wellenlängen für die Desinfektion, was sie zu einer effizienteren UVC-Energiequelle für diese Systeme macht. Diese Unterschiede in den Emissionsspektren erfordern jedoch eine neue Methodik, um die Desinfektionswirksamkeit zu berücksichtigen.
Bestimmung der keimtötenden Leistung von UVC-LEDs
R&D-Ingenieure und Produktdesigner, die UVC-LEDs bewerten, benötigen einen systematischen Ansatz, um die nutzbare Desinfektionsleistung zu spezifizieren und zu vergleichen. Genauso wie Lumen, die Gesamtmenge des von einer Quelle emittierten sichtbaren Lichts, ein universelles Maß für die Helligkeit ist, basiert die nützlichste Spezifikation für Desinfektionsanwendungen auf der Identifizierung der zur Inaktivierung von Krankheitserregern nützlichen Leistung. Dies wird als keimtötende Kraft bezeichnet.
Die genaueste Methode zur Bestimmung der keimtötenden Wirkung erfordert zunächst die Kenntnis des spezifischen zu inaktivierenden Pathogens und dann die Bestimmung seines Wirkungsspektrums (dh des einzigartigen Empfindlichkeitsprofils des Pathogens nach Wellenlänge). Das Kreuzprodukt dieser Spektren mit den Emissionsspektren der jeweiligen UV-Quelle bestimmt deren keimtötende Wirkung.
Unterschiede in der Wellenlängenempfindlichkeit
Während die Empfindlichkeit eines Pathogens gegenüber UVC-Energie variiert, wird allgemein angenommen, dass die maximale UVC-Energieabsorption irgendwo im Bereich von 265–270 nm liegt. Abbildung 2 zeigt die Wirkungsspektren für drei häufige Ziel- oder Challenge-Erreger, die beim Design von Wasserdesinfektionssystemen verwendet werden.
Aktionsspektren von häufigen Ziel-/Herausforderungsmikroben bei der Wasserdesinfektion. Das Wirkungsspektrum von B. Subtillis gemäß ÖNORM-Standard; E. coli, wie in A Review of UV Lamps von Henk FJI Giller, in WEF 2000; und MS2, wie in This Way Forward: Addressing Action Spectra Bias Concerns In Medium Pressure UV Reactors, Bryan Townsend et al.
Obwohl diese Krankheitserreger alle eine Spitzenabsorption bei ungefähr 265 nm aufweisen, gibt es Variationen in der Empfindlichkeit gegenüber diskreten Wellenlängen. Tabelle 1 veranschaulicht diesen Unterschied in der Wellenlängenempfindlichkeit basierend auf ihrer spektralen Empfindlichkeit. Durch Multiplikation der Emission von UVC-Dioden mit der Gewichtung können R&D-Ingenieure die Leistungsabgabe in Bezug auf die zur Desinfektion des spezifischen Krankheitserregers verfügbare Leistung (dh die keimtötende Leistung der Lichtquelle) bestimmen.
Wellenlänge | Gewichtung fürB. subtilis | Gewichtung fürE. coli | Gewichtung für MS2 |
250 nm | 0.62 | 0.80 | 0.58 |
253,7 nm | 0.82 | 0.85 | 0.77 |
260 nm | 0.98 | 0.95 | 0.98 |
265 nm | 1.00 | 1.00 | 1.00 |
270 nm | 0.99 | 0.90 | 0.88 |
275 nm | 0.96 | 0.80 | 0.79 |
280 nm | 0.91 | 0.60 | 0.67 |
285 nm | 0.70 | 0.40 | 0.59 |
Anwendung der keimtötenden Kraft für die kommerzielle Produktion
Mit zunehmender Marktakzeptanz für UVC-LEDs nimmt auch die Zahl der Anbieter zu. Dies bietet OEMs mehr Auswahlmöglichkeiten, hebt aber auch Unterschiede in den Produktspezifikationen der Hersteller hervor. Während der Produktentwicklung oder des Designs kann es die Präferenz des Ingenieurs sein, die Spektren diskreter LEDs zu beobachten, um optimale Leistungskriterien zu bewerten. Allerdings fordern Großserienhersteller einen systematischeren Ansatz zur Spezifikation der keimtötenden Ausgangsleistung. Dieser Faltungsansatz (Normalisierung der LED-Ausgabe in Bezug auf die keimtötende Leistung) hat den gewünschten Effekt. Obwohl komplexe mikrobiologische Systeme keinen einzigen Ansatz bieten, der alle Anforderungen erfüllt, ist dies ein Fortschritt bei der Vereinfachung, der es dem Ingenieur ermöglicht, nachhaltige Designs für die Herstellbarkeit zu erstellen.
Hochleistungs-UVC-LEDs ermöglichen Herstellern die Umstellung von Quecksilberlampen auf Festkörperlösungen. Tests von UVC-LED-basierten Systemen haben eine keimtötende Wirksamkeit von mehr als 99,99% bestätigt, was keinen Zweifel daran lässt, dass diese kompakten, langlebigen Energiequellen eine legitime Alternative zu etablierten Systemen auf Basis von Niederdruck-Quecksilberlampen sind.
Innovatoren von Laborwassersystemen erkennen UVC-LEDs als praktikable Lösung für die Entwicklung umweltfreundlicher, kosteneffektiver Systeme an, ohne die Qualität des Laborwassers zu beeinträchtigen.
Geschrieben von Mark Pizzuto, Direktor für Produktmanagement – Desinfektion, Crystal IS.
