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UV-LEDs zur Desinfektion und Sterilisation von ILS

KamillaAliakhmet
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Mit der anhaltenden COVID-19-Pandemie hat das Bewusstsein für die Ultraviolett-(UV-)Technologie zur Desinfektion und Sterilisation dramatisch zugenommen. Obwohl die bakteriziden Wirkungen von UV-Licht schon seit über 100 Jahren bekannt sind, scheint es, dass wir diese Technologie jetzt mehr denn je einsetzen müssen, um die Ausbreitung der Infektion zu stoppen.

Bei der Auswahl der geeigneten UV-Lichttechnologie für die Desinfektion und Sterilisation haben die Kunden zwei Möglichkeiten: LEDs und Leuchten. In der Vergangenheit waren Quecksilberlampen die einzige verfügbare Technologie. Das Gebiet der UV-LEDs hat sich in den letzten Jahren jedoch weiterentwickelt und ermöglicht so die Implementierung kompakter, batteriebetriebener Desinfektionssysteme.

Leider ist die keimtötende Wirksamkeit von UV-Licht auf einen bestimmten Wellenlängenbereich beschränkt. Laut der International Ultraviolet Association (IUVA) ist der Teil des UV-Spektrums, der gegen Keime in Wasser und Luft am wirksamsten ist, der Bereich zwischen 200 nm und 300 nm. Dies entspricht sowohl dem UV-C-Bereich als auch einem Teil des UV-B-Bereichs, der häufig als „keimtötendes UV-Licht“ bezeichnet wird. Innerhalb dieses Bereichs kann das UV-Licht die Zellen von Mikroorganismen durchdringen und deren DNA zerstören, wodurch ihre Fähigkeit, sich zu vermehren und Krankheiten zu verursachen, zerstört wird.

Elektromagnetisches Spektrum

Hier müssen wir auch den Unterschied zwischen Desinfektions- und Sterilisationsprozessen definieren. Bei der Desinfektion wird die Anzahl der Krankheitserreger verringert, während hingegen bei der Sterilisation alle Mikroorganismen abgetötet werden. UV-Systemdesigner tendieren normalerweise dazu, ein bestimmtes Ziel für die keimtötende Wirksamkeit zu haben, das als logarithmische Reduktion von Keimen gemessen wird, d. h. 1-log = 90 %, 2-log = 99 %, 3-log = 99,9 % usw.

Aber was ist die optimale Wellenlänge für die Desinfektion und Sterilisation?

Nun, auf diese Frage gibt es keine einfache Antwort, da die Wellenlänge davon abhängt, welche Art von Bakterien, Viren oder anderen Krankheitserregern bekämpft werden sollen. Jeder Mikroorganismus hat ein zugehöriges Wirkungsspektrum, das zeigt, wie viel UV-Licht er bei verschiedenen Wellenlängen absorbiert. In der Literatur wird das Wirkungsspektrum meist als „keimtötende Wirksamkeitskurve“ bezeichnet. Die Spitze dieser Kurve entspricht einer vollständigen Inaktivierung und ist für jeden Krankheitserreger eindeutig. Die Spitzenwellenlänge für die Inaktivierung von E. coli [1] liegt beispielsweise nachweislich bei etwa 265 nm, während Bacillus subtilis [2] und Oozysten von Cryptosporidium parvum [3] 270 nm bzw. 271 nm benötigen. Darüber hinaus können auf dem Medium (Wasser, Luft oder Oberfläche) mehrere Arten von Krankheitserregern vorhanden sein.

Keimtötende Wirksamkeitskurve für E. coli im Vergleich zu UV-C-LED-Emissionen bei 265 nm (aus dem Handbuch zur keimtötenden UV-Bestrahlung, Abb. 5.5)

Was beeinflusst die Wirksamkeit einer UV-Desinfektion?

Kurze Antwort: die Wellenlänge und die UV-Dosis. Lassen Sie mich erklären, warum.

Die Menge an UV-Licht, die über einen bestimmten Zeitraum zur Desinfektion eines bestimmten Bereichs angewendet wird, wird als UV-Dosis bezeichnet. Die UV-Dosis ist eine Funktion der UV-Lichtintensität und der Belichtungszeit. Der Parameter wird üblicherweise in mJ/cm gemessen2 und variiert signifikant zwischen verschiedenen Keimen. Die vollständige Liste der Dosierungsanforderungen für die 4-log-Inaktivierung verschiedener Bakterien, Protozoen, Viren und Algen ist in dieser Rezension der IUVA veröffentlicht.

Für die 4-log-Inaktivierung von verschiedenen Keimen erforderliche UV-Dosis

Die Intensität des UV-Lichts wird durch die Leistung der Lichtquelle bestimmt. Die keimtötende Kraft der Lichtquelle kann jedoch geringer sein als die von den LEDs erzeugte Leistung. Um den Wert der keimtötenden Kraft am genauesten abzuschätzen, wird empfohlen, das Ausgangslichtspektrum des Geräts mit der keimtötenden Wirksamkeitskurve eines einzelnen Keims zu vergleichen.

Die Belichtungszeiten variieren je nach Anwendung stark. Beispielsweise benötigen statische Systeme (Oberflächen- oder akkumulierte Wassersterilisation) längere Belichtungszeiten als dynamische Systeme (Umluft- oder Fließwassersterilisation). Die gleiche Dosierung kann durch Erhöhen der Belichtungszeit und Verringern der Lichtintensität erreicht werden.

Wenn an dieser Stelle alles verwirrend klingt, betrachten wir einige praktische Beispiele für UV-LEDs von Intelligent LED Solutions (ILS).

ILS bietet eine große Auswahl an UV-B- und UV-C-LED-Lösungen basierend auf UV-LEDs der Serien N3535 und N5050 von TSLC. Zunächst wurden sie nach den drei verschiedenen Wellenlängenbereichen kategorisiert: 260-270 nm, 270-290 nm und 300-320 nm. Wie bereits erwähnt, hängt die keimtötende Wirksamkeit der UV-Desinfektion stark von der Wellenlänge und der Ausgangsleistung der Lichtquelle ab. Durch die Möglichkeit, den optimalen Wellenlängenbereich auszuwählen, haben die Entwickler mehr Flexibilität bei der Erfüllung der Leistungsanforderungen, um das gewünschte Desinfektionsniveau zu erreichen. Darüber hinaus gibt es drei verschiedene primäre Linsenoptionen (60°, 90° oder 130°), mit denen die Lichtverteilung über den Zielbereich gesteuert werden kann. Und schließlich verfügen die meisten Modelle (mit Ausnahme von PowerStar) über eine gleichwertige Alternative mit geringem Stromverbrauch für Anwendungen, bei denen die Belichtungszeit verlängert werden kann.

Ein kompakter UV-LEDiL-Selektor bietet eine radiometrische Leistung von 25 bis 60 mW bei 350 mA für drei Wellenlängenbereiche und Abstrahlwinkel. Diese Lichtquelle kann in Verbindung mit LEDiL-Linsen verwendet werden, um das Licht aus größerer Entfernung im interessierenden Bereich zu fokussieren. Der UV LEDiL-Selektor ist mit der Linse ROSE (201-7701) kompatibel. Diese Linsen bestehen aus optischem Silikon, das UV-Licht im Wellenlängenbereich UV-B und UV-A standhält.  

UV-B- und UV-C N3535 UV-LEDiL-Selektor

UV-LEDiL-Selektoren

λ (nm)

Linse

MPN

RS-Best.-Nr.

Minimale radiometrische Leistung (mW) bei 350 mA

260nm

Linse ± 60°

ILR-XN01-S260-LEDIL-SC201

(201-7457)

25mW

270nm

Linse ± 60°

ILR-XN01-S270-LEDIL-SC201.

(201-7458)

40mW

300nm

Linse ± 60°

ILR-XN01-S300-LEDIL-SC201.

(201-7459)

60mW

260nm

Linse ± 90°

ILR-XO01-S260-LEDIL-SC201.

(201-7461)

25mW

270nm

Linse ± 90°

ILR-XO01-S270-LEDIL-SC201.

(201-7473)

40mW

300nm

Linse ± 90°

ILR-XO01-S300-LEDIL-SC201.

(201-7474)

60mW

260nm

Linse ± 130°

ILR-XP01-S260-LEDIL-SC201.

(201-7475)

25mW

270nm

Linse ± 130°

ILR-XP01-S270-LEDIL-SC201.

(201-7477)

40mW

300nm

Linse ± 130°

ILR-XP01-S300-LEDIL-SC201.

(201-7478)

60mW

 

In ähnlicher Weise ist eine UV-LED-basierte Lichtquellenlösung mit einem Chip N5050U mit PowerStar-Konfiguration (201-7445) für einen Wellenlängenbereich von 270 bis 290 nm erhältlich. Die einzigartige Leiterplattenform entspricht der branchenüblichen Zhaga-Grundfläche, sodass diese Lichtquelle mit einer Vielzahl von Kühlkörpern und Haltern kompatibel ist.

N5050 Power Star

Einzelne LEDs wie der UV-LEDiL-Selektor erzeugen möglicherweise nicht genügend optische Leistung, um größere Bereiche zu desinfizieren. Ein Cluster von vier und mehr LEDs ist für diesen Zweck besser geeignet. Vier UV-SCOBs unterstützen eine radiometrische Leistung von 100 bis 240 mW und sind mit ALISE-Reflektoren (201-7691) und ZORYA-Linsen (201-7703) von LEDiL kompatibel. Die Leiterplatte besteht aus hochreflektierendem und dennoch kostengünstigem Material (Aluminium), während die Linsen eine gleichmäßige Verteilung des Lichts auf engstem Raum ermöglichen.

N3535 UV 4 SCOB

4 UV-SCOBs

λ (nm)

Linse

MPN

RS-Best.-Nr.

Minimale radiometrische Leistung (mW) bei 350 mA

260nm

Linse ± 60°

ILO-XN04-S260-SC201

(201-7462)

100mW

270nm

Linse ± 60°

ILO-XN04-S270-SC201

(201-7463)

160mW

300nm

Linse ± 60°

ILO-XN04-S300-SC201

(201-7464)

240mW

260nm

Linse ± 90°

ILO-XO04-S260-SC201

(201-7468)

100mW

270nm

Linse ± 90°

ILO-XO04-S270-SC201

(201-7469)

160mW

300nm

Linse ± 90°

ILO-XO04-S300-SC201

(201-7470)

240mW

260nm

Linse ± 130°

ILO-XP04-S260-SC201

(201-7439)

100mW

270nm

Linse ± 130°

ILO-XP04-S270-SC201

(201-7440)

160mW

300nm

Linse ± 130°

ILO-XP04-S300-SC201

(201-7441)

240mW

 

Der größte Cluster von UV-SCOBs enthält 9 LEDs und liefert eine Leistung von 225-540 mW bei 1050 mA. ALISE und ZORYA passen auch perfekt zu dieser Lichtquelle, mit Ausnahme von Versionen mit größerem Durchmesser, für die die ALISE-Reflektoren (201-7676) (201-7680) erforderlich sind.

N3535 UV 9 SCOB

9 UV-SCOBs

λ (nm)

Linse

MPN

RS-Best.-Nr.

Minimale radiometrische Leistung (mW) bei 1050mA

260nm

Linse ± 60°

ILO-XN09-S260-SC201

(201-7465)

225mW

270nm

Linse ± 60°

ILO-XN09-S270-SC201

(201-7466)

360mW

300nm

Linse ± 60°

ILO-XN09-S300-SC201

(201-7467)

540mW

260nm

Linse ± 90°

ILO-XO09-S260-SC201

(201-7471)

225mW

270nm

Linse ± 90°

ILO-XO09-S270-SC201

(201-7472)

360mW

300nm

Linse ± 90°

ILO-XO09-S300-SC201

(201-7438)

540mW

260nm

Linse ± 130°

ILO-XP09-S260-SC201

(201-7442)

225mW

270nm

Linse ± 130°

ILO-XN09-S260-SC201

(201-7443)

360mW

300nm

Linse ± 130°

ILO-XN09-S270-SC201

(201-7444)

540mW

 

Nicht zuletzt bietet der UV VIOLET-Streifen mit 12 LEDs eine radiometrische Leistung von bis zu 720 mW und wurde für das VIOLET-Linsenarray (201-7709) von LEDiL entwickelt. Linse und Metallrahmen des VIOLET-Linsenarrays bestehen aus hochbeständigen UV-Materialien.

UV VIOLET-Streifen

VIOLET-Linsenarray von LEDiL

UV VIOLET-Streifen

λ (nm)

Linse

MPN

RS-Best.-Nr.

Minimale radiometrische Leistung (mW) bei 350 mA

260nm

Linse ± 60°

ILS-XN12-S260-0280-SC201-W2

(201-7483)

300mW

270nm

Linse ± 60°

ILS-XN12-S270-0280-SC201-W2

(201-7484)

480mW

300nm

Linse ± 60°

ILS-XN12-S300-0280-SC201-W2

(201-7485)

720mW

260nm

Linse ± 90°

ILS-XO12-S260-0280-SC201-W2

(201-7486)

300mW

270nm

Linse ± 90°

ILS-XO12-S270-0280-SC201-W2

(201-7487)

480mW

300nm

Linse ± 90°

ILS-XO12-S300-0280-SC201-W2

(201-7488)

720mW

260nm

Linse ± 130°

ILS-XP12-S260-0280-SC201-W2

(201-7489)

300mW

270nm

Linse ± 130°

ILS-XP12-S270-0280-SC201-W2

(201-7490)

480mW

300nm

Linse ± 130°

ILS-XP12-S300-0280-SC201-W2

(201-7491)

720mW

 

Um Ihre UV-C-Desinfektionslösung zu vervollständigen, sollten Sie die große Auswahl an LED-Treibern von OSRAM und ILS berücksichtigen.

Das Entwerfen eines UV-Lichtsystems zur Desinfektion ist ein komplexer Prozess mit zahlreichen Variablen. Bei spezifischen designbezogenen Fragen möchten wir Sie bitten, sich direkt an unseren Partner Intelligent LED Solutions (ILS) zu wenden.

Haftungsausschluss: DesignSpark/RS Components/ILS fanden keine wissenschaftlichen Beweise für die Wirksamkeit von UV-C-LEDs gegen COVID-19. Lesen Sie dieses Informationsblatt der IUVA mit ihrer Expertenmeinung durch.

[1] IESNA. 2000. Lighting Handbook: Reference & Application (Beleuchtungshandbuch: Referenz und Anwendung) IESNA HB-9-2000. New York: Gesellschaft für Beleuchtungstechnik in Nordamerika.

[2] Waites WM, Harding SE, Fowler DR, Jones SH, Shaw D, Martin M. 1988. The destruction of spores of Bacillus subtilis by the combined effects of hydrogen peroxide and ultraviolet light (Die Zerstörung von Sporen von Bacillus subtilis durch die kombinierten Wirkungen von Wasserstoffperoxid und ultraviolettem Licht). Lett Appl Microbiol 7: 139–140

[3] Linden KG. 2001. Comparative effects of UV wavelengths for the inactivation of Cryptosporidium parvum oocysts in water. (Vergleichende Wirkungen von UV-Wellenlängen zur Inaktivierung von Cryptosporidium parvum-Oozysten in Wasser). Wat Sci Technol 34(12):171–174.

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