Technik
Licht 2 | 2022

Neue Möglichkeiten durch UV-C-LEDs

Grundlagen bei der Entwicklung von Desinfektionsgeräten

Die Coronapandemie hat Desinfektion zu einem allgegenwärtigen Thema gemacht. Neben chemischen Methoden lässt sich ultraviolette Strahlung bestimmter Wellenlängen zur Sterilisierung nutzen. So eröffnen UV-C LEDs, welche Strahlung im ultravioletten Spektrum bei Wellenlängen von 100-280 nm emittieren, vielfältige Möglichkeiten bei der Konstruktion von Desinfektionsgeräten. Was gilt es dabei zu beachten?

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Die desinfizierende Wirkung von UV-Strahlung ist seit 1877 bekannt und fand bereits großes Interesse bei der Bekämpfung von Krankheiten, wie zum Beispiel Tuberkulose. In der Vergangenheit wurden Niederdruck-Quecksilberdampf-Entladungslampen eingesetzt, da sie bei der keimtötenden Wellenlänge von 254 nm emittieren und relativ große Strahlungsleistungen besitzen. Bis heute sind sie oft die wirtschaftlichste Lösung für großflächige Desinfektion. 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 die geringe Größe sind weitere Vorteile. Die Covid-19-Pandemie hat Forschung und kommerzielle Verfügbarkeit von UV-C-LEDs noch einmal beflügelt, sodass inzwischen der Einsatz von UV-C LEDs in vielen Bereichen möglich ist.

Grundlagen

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 Sterilisationsergebnis ist eine Kombination aus der richtigen Wellenlänge und einer hohen Strahlungsmenge erforderlich. Abbildung 1 zeigt das Spektrum einer UV-C-LED im Vergleich zur wellenlängenabhängigen RNA-schädigenden Wirkung.

Abb. 1: Spektrum einer UV-C-LED im Vergleich zur RNA-schädigenden Wirkung Würth Elektronik

Da 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 Abbildung 2, dass LEDs mit diesen Wellenlängen aktuell noch eine kleinere Effizienz (Wall-Plug-Efficiency – WPE) und somit eine kleinere optische Leistung und schlechtere Sterilisationswirkung haben.

Abb. 2: Die Sterilisationseffizienz (grau gestrichelt) als Produkt aus RNA-Schaden (schwarz) und WPE (Kreuze) ist in Abhängigkeit von der Wellenlänge dargestellt. Würth Elektronik

Die Dosis

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 Menge 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 der folgenden Tabelle 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 (vgl. Abb. 2).

Mikroorganismus

Information zum Krankheitserreger

D90 Dosis (J/m2)

Art der Lampe

Virus

Coronaviren

Coronavirus wie SARS-CoV-2

37

LP

Hepatitisviren

verursacht Hepatitis

40

LP

Influenza

verursacht Grippe

20

LP

Adenoviren

verursacht Erkältungen

390

LP

Bakterien

Salmonella typhimurium

führt zu Lebensmittelvergiftungen

39

LP

Escherichia coli

führt zu Lebensmittelvergiftungen

43 (275 nm)

LED

41 (254 nm)

LP

Legionella pneumophila

können sich in Wasserleitungen sammeln

17

LP

Pilze

Aspergillus niger

bildet Schwarzschimmel

1160

LP

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 Oberflächeneigenschaften oder 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 [W] angegeben. Dieser Wert kann aus dem Datenblatt abgelesen werden.
  • Bestrahlungsstärke:
    Die Bestrahlungsstärke ist die Menge des Strahlungsflusses, die von einer Oberfläche pro bestrahlter Fläche empfangen 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 empfangen wird. Sie errechnet sich aus Bestrahlungsstärke × 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.

Abb. 3: Beispielsimulation: Die Bestrahlungsstärkeverteilung für verschiedene Höhen einer Leiterplatte mit neun LEDs von Würth Elektronik (WL-SUMW 15335327BA252). Würth Elektronik

Mit zunehmender Höhe wird die bestrahlte Fläche größer, jedoch nimmt die maximale Bestrahlungsstärke ab. Dadurch erhöht sich die benötigte Belichtungszeit, um eine bestimmte Dosis zu erhalten, mit dem Quadrat des Abstandes (Benötigte Belichtungszeit ∝ Abstand2), wie in dem Graph für eine Dosis von 37 J/m2 gezeigt (s. Abb. 3) und aus Tabelle 2 ablesbar:

Abstand

Erforderliche Belichtungszeit für:

Bestrahlungsstärke

Dosis 37 (J/m2)

Dosis 400 (J/m2)

4 cm

5.2 W/m2

0.1 min

1.3 min

10 cm

2.0 W/m2

0.3 min

3.3 min

20 cm

0.6 W/m2

1.0 min

11.1 min

Diese Berechnung gibt vor den nötigen Produkttests einen wichtigen Hinweis auf die erforderlichen Desinfektionszeiten.

Sicherheit

UV-Licht führt bei Polymeren zu Degradation. Dies sollte man bei der Entwicklung von Anwendungen und der Materialauswahl berücksichtigen. Doch noch wichtiger ist es, ungewollte biologische Folgen auszuschließen. In der Natur wird die UV-C-Strahlung durch die Ozonschicht blockiert und erreicht nicht die Erdoberfläche. Aus diesem Grund haben Lebewesen auf der Erde keine Reparaturmechanismen für Schäden durch UV-C-Licht entwickelt. Deshalb ist UV-C so wirksam bei der Keimtötung, aber auch bei der Schädigung von Mensch und Tier. Sie ist besonders gefährlich für unsere Augen und die Haut und UV-C kann auch noch lange Zeit nach der Bestrahlung Hautkrebs verursachen. Laut Direktive 2006/25/EC darf die maximal zulässige Dosis pro acht Stunden Arbeitstag nicht höher als 30 J/m2 sein. Bei kontinuierlicher Exposition bedeutet dies, dass die Bestrahlungsstärke nicht mehr als 0,001 W/m2 betragen sollte.

Abb.: UV-Warnsymbol nach IEC 60417-6040, Quelle: ecelop – stock.adobe.com ecelop – stock.adobe.com

Geeignete persönliche Schutzausrüstung oder Abschirmung müssen verwendet werden, um die Produktsicherheit zu gewährleisten. Das folgende Beispiel gibt eine Vorstellung davon, wie Anforderungen an die Abschirmung aussehen.

Beispielberechnung für Abschirmungsmaterialien

Für das oben gezeigte Beispiel-UV-Panel beträgt die maximale Bestrahlungsstärke in einem Abstand von 20 cm 0,6 W/m2. Um unter die maximal zulässige Bestrahlungsstärke von 0,001 W/m2 zu kommen, muss eine Abschirmung eine Transmission von weniger als ~10-3 haben, unter Annahme von Langzeitbelichtung. Es wird jedoch dringend empfohlen, die Transmission des Abschirmmaterials noch weiter zu reduzieren, da die Schädigung durch UV-C-Strahlung über eine lange Zeit kumulativ ist. Zusätzlich ist zu beachten, dass die Bestrahlungsstärke stark vom Abstand zur UV-C-Quelle abhängig ist. Wenn in unserem Beispiel der Abstand zwischen UV-Panel und Haut/Augen 4 cm beträgt, sollte die Transmission eines Abschirmmaterials bereits kleiner als ~10-4 sein. Bei 1 cm Abstand sollte die Transmission schon unter ~10-5 liegen.

Wenn zu viel UV-C die Anwendung verlässt, wie zum Beispiel bei Handlampen, müssen alle Personen, die potenziell der Strahlung ausgesetzt sind, angemessen geschult werden und eine ausreichende persönliche Schutzausrüstung wie Gesichtsschutz, Handschuhe und Schutzkleidung tragen.

Zusammenfassung

Geräte mit UV-C-LEDs zu Desinfektionszwecken werden nicht nur in der aktuellen Pandemiesituation, sondern auch zukünftig eine immer wichtigere Rolle spielen, beispielsweise bei der Bekämpfung multiresistenter Keime. Auch für die allgemeine Keimreduzierung in Luftfiltrationssystemen, in der Wasserversorgung und in der Lebensmittelindustrie werden UV-C-LEDs immer stärker gefragt. Die angeschnittenen Themen haben gezeigt, dass die Entwicklung von UV-C-Anwendungen größte Sorgfalt und umfangreiche Tests verlangen. Wenn, wie bei den LEDs von Würth Elektronik, RayFiles zur Verfügung stehen, kann der Aufwand durch Simulationen des Abstrahlverhaltens reduziert werden.

Weitere Informationen:

Autor: M. Sc. Dominik Köck, Produktmanager, Würth Elektronik eiSos, www.we-online.com

Grafiken: Würth Elektronik

Dieser Artikel ist erschienen in

Licht 2 | 2022

Erschienen am 31. März 2022