Wissenschaft & Forschung
Licht 4 | 2021

Werkbericht zu UV-C-Messungen

Theorie, Messungen und Feldversuche zur Wirksamkeit von UV-C-Quellen

UV-C-Strahlung wird seit Jahrzehnten in der Wasseraufbereitung (Sterilisation) und in raumlufttechnischen Anlagen (RLT) zur Desinfektion der Luft genutzt, etwa in Operationssälen in Krankenhäusern, wo es gegen verschiedenste pathogene Keime erfolgreich eingesetzt wird [1]. In Seminarräumen von Hochschulen oder in Schulräumen wir die Technologie dagegen noch zögerlich genutzt. Dieser Artikel geht kurz auf die Theorie von UV-C-Technik ein sowie auf ihre Wirkungen, ihr Gefährdungspotenzial und auf erste Messungen von Luftreinigern mit innenliegenden UV-C-Quellen im Schwarzen Labor der HAW-Hamburg, Department Medientechnik. Dabei sollen auch Ergebnisse von ersten Feldversuchen zur Wirksamkeit von Luftentkeimern mit UV-C-Quellen vorgestellt werden.

Lesezeit: ca. 9 Minuten

1 Übertragungswege SARS-CoV-2-Virus und Abwehrmaßnahmen

Es gibt nach dem heutigen Stand der Wissenschaft mehrere Übertragungswege des SARS-CoV-2-Virus. Zum einen als Schmierinfektion auf Oberflächen. Eine Gegenmaßnahme ist die Desinfektion von Oberflächen mit Desinfektionsmitteln oder Desinfektion durch direkte Bestrahlung mit UV-C-Quellen. Selbstverständlich hilft auch das regelmäßige Händewaschen. Bei der Infektion durch die Luft unterscheidet man die Infektion durch Tröpfchen oder Aerosole. Maßnahmen gegen Tröpfcheninfektion sind das Tragen eines Mund-Nasen-Schutzes, Abstand halten mit 1,5 m Entfernung und ausreichendes Lüften von Innenräumen. Maßnahmen gegen Infektionen durch mit Viren behaftete Aerosole sind FFP2-Masken oder welche mit höherem Schutz, Lüften, Luftentkeimung durch Abscheidung der Viren in Luftentkeimern mit innenliegenden HEPA-Filtern, Inaktivierung der Viren durch den Einsatz von mobilen oder festinstallierten Luftreinigern mit innenliegenden UV-C-Quellen oder durch Bestrahlung mit direkter UV-C-Strahlung.

Abb. 1: Inaktivierende Wirkung von UV-C-Licht auf die DNA/RNA von Viren (Quelle: Signify) Signify

2 Wirkungsweise von UV-C-Strahlung

Direkte natürliche UV-C-Strahlung wird in der Erdatmosphäre absorbiert, so dass UV-C-Strahlung nicht auf der Erdoberfläche ankommt. Aus diesem Grund können Mikroorganismen und Viren keine natürlichen Resistenzen gegen UV-C-Strahlung entwickeln. Die Wirkungsweise der UV-C-Strahlung auf Mikroorganismen, insbesondere Viren, liegt darin, dass diese kurzwellige hochenergetische Strahlung die Hülle (liquid Membran) der Mikroorganismen (Sporen, Pilze, Viren) durchdringen kann und die Zell-Nukleinsäuren (DNA/RNA-Stränge) aufgebrochen werden. Konkret bedeutet dies: Die UV-C-Strahlung wird von den DNA/RNA-Strängen absorbiert.

Bei diesem Vorgang trennen sich die Basen Thymin oder Cytosin von ihrem gegenüberliegenden Strang und verbinden sich untereinander (Thymidin-Dimerbildung). Dadurch verändert sich die räumliche Gestalt der DNA/RNA, so dass eine Replikation an diesen Stellen zum Erliegen kommt und damit die Vermehrung der Mikroorganismen, insbesondere der Viren, nicht mehr möglich ist. Sie werden dadurch inaktiviert. Da Viren immer eine Wirtszelle benötigen, um sich zu vermehren, verhindert UV-C-Strahlung die weitere Ausbreitung von Viren, sowohl in der Luft als auch auf Oberflächen. Viren sind laut wissenschaftlichen Erkenntnissen keine Lebewesen. Sie atmen nicht, können sich nicht selbstständig vermehren und betreiben keinerlei Stoffwechsel. Entsprechend kann man Viren nicht abtöten, sondern nur inaktivieren.

3 Bestrahlungsstärke und Dosis

Um den DNA/RNA-Strang eines Virus aufzubrechen werden entsprechende Bestrahlungsstärkewerte und Dosiswerte benötigt. Die Bestrahlung und damit Inaktivierung von Viren wird mit dem Begriff der Bestrahlungsstärke in W/m² oder mW/m² angegeben. Die Wirksamkeit der Bestrahlung wird durch die Dosis (Bestrahlung multipliziert mit der Einwirkungszeit in Sekunden) definiert. Diese Dosis wird in der Einheit J/m² angegeben, teilweise auch J/cm². Zur Inaktivierung von Viren bzw. zur Definition der Keimreduktionsrate gibt es verschiedene log-Stufen. Sie zeigen an, wie stark die Anzahl der (aktiven) Mikroorganismen reduziert wird. Log 1 bedeutet, dass 90 % der Mikroorganismen inaktiviert werden, bei log 2 sind bereits 99 % inaktiviert und bei log 3 sind 99,9 % der Mikroorganismen inaktiviert.

Der Einsatz von UV-C-Strahlung zur Keimreduzierung vieler pathogener Keime, vor allem bei Influenza-Viren, Tuberkulose- und auch SARS-1-Viren ist weltweit sowohl in Laboruntersuchungen als auch in Feldversuchen nachgewiesen [1]. Aufgrund der in unserer unmittelbaren Umgebung vorhandenen Sporen, Pilze und Viren gibt es eine sehr große Bandbreite an Dosisangaben, um Mikroorganismen zu inaktivieren. Die Bandbreite der Dosis zu Inaktivierung von Viren liegt zwischen 20 J/m² bis 200 J/m². Neueste Laboruntersuchungen, die mit den aktuellen SARS-CoV-2-Viren durchgeführt wurden, belegen die Wirksamkeit bzw. Effizienz der Direktstrahlung auch gegen diese Viren. Innerhalb von vier Sekunden wurden die SARS-CoV-2-Viren durch eine UV-C-Direktbestrahlung inaktiviert (wet droplets) [2]. Nach dem aktuellen Kenntnisstand sollten professionelle UV-C-Desinfektionsgeräte bzw. Luftentkeimer auf jeden Fall eine Mindestdosis von 70 J/m² erreichen, um 99 % (log 2) Entkeimungsleistung zu erzielen, für eine log 3-Stufe ist ein Dosiswert von 100-120 J/m² sinnvoll.

Abb. 2: Eindringtiefe und Schädigungspotentiale von UV-Strahlung und sichtbarem Licht in das Auge und Netzhaut. (Quelle: Oeing) Oeing

4 Luftwechselraten

Um ein Infektionsrisiko durch mit Viren belastete Aerosole in der Raumluft zu vermeiden, empfehlen verschiedene Studien und Literaturquellen, unter anderem auch die Stellungnahme der Kommission Innenraumlufthygiene (IRK) [3] vom 19.11.2020, einen Luftwechsel von dreimal pro Stunde und mehr. Berechnet wird das Raumvolumen in m³ durch die Multiplikation der Raumbreite mal Raumlänge mal Raumhöhe. Entsprechend müssen die dafür geplanten oder eingesetzten Luftentkeimer ausgelegt sein.

5 Gefährdungspotenzial und Richtlinien

Nach Einschätzung der Internationalen Agentur für Krebsforschung (IARC) begünstigt UV-Strahlung Hautkrebs. Entsprechend ist die natürliche und künstliche UV-Strahlung in die höchste Krebsrisikostufe eingeordnet worden. Dies ist in Bezug auf UV-C-Strahlung zu ungenau definiert. Hier muss zwischen den verschiedenen Wellenlängen unterschieden werden (UV-C, UV-B und UV-A). Vor allem bei UV-B-Strahlung, die verstärkt durch die Atmosphäre auf die Erdoberfläche dringt, erzeugt eine zu hohe Dosis auf der Haut den typischen Sonnenbrand und kann dabei deutlich tiefer in die Haut eindringen als UV-C-Strahlung und begünstigt somit die Bildung von Hautkrebs.

Bei einer zu hohen UV-Dosis kann es im Auge zu Photokeratitis (Hornhautentzündung), Photokonjunktivitis (Bindehautentzündung) und Katarakt (Grauer Star) kommen. UV-C-Strahlung kann nur in die oberen Schichten der Epidermis und der Hornhaut eindringen und Zellen kaum oder gar nicht schädigen.

Bei der Haut kann eine zu hohe Dosis UV-Strahlung Erythema (Rötung der Haut), Skin cancer (Hautkrebs) und Elastosis (pathologische Degeneration des kollagenen Bindegewebes der Dermis) erzeugen. UV-C-Strahlung kann wohl die Epidermis (Oberhaut) durchdringen, inwieweit UV-C-Strahlung auch die Dermis (Lederhaut) schädigt ist noch nicht eindeutig geklärt und hängt von der Wellenlänge ab. Je kürzer die Wellenlänge, desto weniger dringt UV-C-Strahlung in die Haut ein.

Nach der EU-Richtlinie 2006/25/EG ist der Expositionsgrenzwert (Dosis) für Aktinisches UV (180-400 nm) auf 30 J/m² festgelegt [4]. Entsprechend darf die Bestrahlungsstärke auf den Menschen (Augen und Haut) nicht höher als 1 mW/m² sein. Entsprechende Aussagen gibt es auch in anderen Literaturquellen [5].

Abb. 3: Eindringtiefe und Schädigungspotentiale von UV-Strahlung und sichtbarem Licht in die Haut. (Quelle: Oeing/Greule) Oeing/Greule

6 Erweiterung des Schwarzen Labors der HAW-Hamburg mit UV-C-Messgeräten und einem neuen Roboter

Aufgrund der in den letzten Jahren im Schwarzen Labor der HAW-Hamburg durchgeführten Messungen zu dem Thema Blue-Hazard (Blaulichtgefährdung), die vor allem im Eventbereich und mit Eventscheinwerfern wie Movinglights auftritt, waren entsprechende Messgeräte bereits vorhanden. UV-C-Messungen waren dagegen neu. Umso mehr interessierte die Forscher, wie genau die Angaben einzelner Hersteller von UV-C-Luftreinigern mit innenliegenden UV-C-Quellen bezüglich der angegebenen Bestrahlungsstärken sind. Zudem wollten sie selbst Messungen für SVK (Strahlstärkeverteilungskurven) in W/m² durchführen, um damit in Simulationsprogrammen die Strahlung und Dosiswerte in Innenräumen zu berechnen. Dies auch im Hinblick auf Upper-Air-UV-C-Strahler oder freistrahlende UV-C-Geräte. Entsprechend wurde das Messequipment des Schwarzen Labors der HAW-Hamburg mit mehreren Messgeräten und Messköpfen sowie einem Sechs-Achs-Industrieroboter (HORST900) erweitert.

Abb. 4: Messaufbau zur Messung von Luftreinigern mit innenliegenden UV-C-Quellen und UV-C-Quellen im Schwarzen Labor der HAW-HH, Department Medientechnik mit einem Sechs-Achs-Industrieroboter. (Quelle: Oving) Oving

7 Erste Messungen von UV-C-Luftreinigern im Schwarzen Labor

Auf Anfrage verschiedener Unternehmen wurden erste Messungen von UV-C-Luftreinigern im Schwarzen Labor der HAW-Hamburg durchgeführt. Angefangen bei freistrahlenden UVC-Geräten über mobile und bis hin zu fest in der Decke installierbaren UV-C-Luftreinigern mit innenliegenden UV-C-Quellen. Das folgende Beispiel ist ein kurzer Auszug aus dem Messprotokoll der Mikrobex Cloud der Arteko LED-Lighting GmbH aus Hamburg. Dieses UV-C-Gerät wurde unter anderem im Gymnasium Ohmoor eingesetzt. Eine Evaluierung durch die Direktorin ist angestrebt, allerdings müssen noch die zuständigen Behörden überzeugt werden.

Abb. 5: Blick in einen Schulraum des Ohmoor-Gymnasiums in Hamburg mit Mikrobex Cloud Leuchten der Firma Arteko LED-Lighting (Quelle: Mikrobex – Sybill Schneider) Mikrobex – Sybill Schneider

Wie ausgeführt, ist für die Wirksamkeit der Entkeimung die Strahlungsdosis wichtig. Diese kann je nach Geräteabmessungen und Strömungsverhältnissen bestimmt werden. D. h. über die Luftgeschwindigkeit in der Leuchtkammer und der ermittelten Länge der Leuchtkammer ist es möglich, die tatsächliche Verweildauer der Aerosole in dem Gerät zu ermitteln, um dann aus den Daten auf die entsprechende log-Stufe zu schließen. Im Moment werden in verschiedenen adhoc-Gremien national und international die Details besprochen und genauer definiert.

Gemessen wurde bei der Mikrobex Cloud, welche Bestrahlungsstärke im Inneren des Geräts bei normalem Betrieb erreicht wurde. Das Gerät besteht aus einem pulverbeschichteten und mit Lichtfallen versehenen Stahlblechgehäuse mit vier innenliegenden 36-W-UV-C-Lichtquellen. Hierzu wurde zunächst der Bereich der Leuchtkammer definiert und vermessen. Im Anschluss wurde ein Messraster mit 44 Messpunkten definiert, die gleichmäßig im Bereich der Leuchtkammer verteilt lagen. Diese Messpunkte wurden mit dem Messkopf des Radiolux111 bei offenem Gehäuse mit einem Roboterarm angefahren und die Messwerte aufgenommen.

Angaben in W/m2

Mittelwerte

Messreihe 1

120,2

153,6

224,7

331,5

449,8

519,5

531,8

516,5

517,0

476,1

404,7

385,9

Messreihe 2

176,0

240,5

332,5

495,5

654,3

731,5

727,3

686,7

687,3

646,6

565,3

540,3

Messreihe 3

306,9

443,1

562,6

687,8

777,6

779,3

654,2

421,0

423,6

277,6

197,7

502,9

Messreihe 4

293,9

423,7

527,6

607,9

681,9

710,5

549,1

292,8

294,8

147,4

93,6

420,0

Gesamt

462,3

In diesem Testversuch betrug die gemessene Luftgeschwindigkeit im Mittel 1,91 m/s, die Länge der Leuchtkammer war 0,61 m, so dass die daraus resultierende Verweildauer der Aerosole rund 0,32 Sekunden beträgt. Wie ausgeführt, sollte die Dosis zur Inaktivierung von SARS-CoV-2-Viren für Stufe log 3 bei 100 J/m² liegen, was bei diesem Gerät sicher erreicht wurde.

8 Erste Feldversuche im FTZ DR zur Wirksamkeit von UV-C-Luftentkeimern

Die Wirksamkeit von Luftentkeimern mit innenliegenden UV-C-Quellen kann man durch Untersuchungen vorher/nachher durchführen. Bei einem Einsatz von SARS-CoV-2-Viren kann dies nur in Laboren der Kategorie 3 durchgeführt werden. Als Inaktivierungseffizienz für luftgetragene Viren kann als Surrogat-Virus z. B. die Bakteriophage MS2 verwendet werden. Diese kann als Modellorganismus für RNA-Viren, wie beispielsweise SARS-CoV-2, für die Bestimmung von Inaktivierungsraten germizider Systeme genutzt werden. Noch einfacher ist der Einsatz von RCS-High-Flow-Touch-Luftkeimsammlern. Mit ihnen lässt sich die Verringerung bzw. Reduzierung der Gesamtkeimzahl, z. B. von Hefen und Schimmelpilzen, die sich immer im Raum befinden, durch die UV-C-Bestrahlung nachweisen.

Als ein erster Feldversuch wurde in dem Besprechungsraum (ca. 60 m³ Raumvolumen) des Forschungs- und Transferzentrum Digital Reality (FTZ DR) der HAW-Hamburg mit dem Gerät UVPRO V-Lab von UVpro, ein mobiles Luftreinigungsgerät mit innenliegenden UV-C-Quellen geprüft. Der Besprechungsraum wird sehr intensiv und oft genutzt, ebenso die vorhandene AV-Technik und die Touchbildschirme, jedoch ist das Öffnen der Fenster durch den doch relativ hohen Außenlärmpegel in der umliegenden HafenCity nur eingeschränkt möglich. Deshalb wurde nach Alternativen für die Luftreinigung gesucht.

Erste Feldversuche haben ergeben, dass nach der Nutzung des Besprechungsraums und einem nachfolgenden 0,5-h-Betrieb des Geräts auf 100 % die Gesamtzahl der Keime (Hefen und Schimmelpilze) durch die UV-C-Strahlung um ca. 90 % reduziert wurde.

Gesamtkeimzahl:

  1. Messung 227 KBE/m3
  2. Messung 20 KBE/m3

Es sind weitere Feldmessungen geplant: mit einem im Workshopbereich seit kurzem vorhandenen Luftentkeimer (UVAir 216) von GoldenSea UV, dem im Teeküchenbereich im FTZ DR installierten Air-Com-Pro5 von BÄRO und voraussichtlich auch mit den in nächster Zeit im VR-Bereich installierten beiden Upper-Air-Deckengeräten.

Abb. 6: Luftentkeimer UVpro V-LAB der Firma UVpro mit innenliegenden UV-C-Quellen (Quelle: Greule) Greule
Abb. 7: Besprechungsraum Forschungs- und Transferzentrum Digital Reality (Quelle: Oeing) Oeing

9 Nächste Feldversuche an der HAW-Hamburg

Da bisher nur wenige Feldversuche mit UV-C-Luftreinigern durchgeführt wurden, ist geplant, in nächster Zeit in mehreren Räumen innerhalb der Hochschule mit verschiedenen Systemen Feldversuche durchzuführen. Um die Keimzahl im Showroom des Lichtlabors der HAW-Hamburg zu verringern und den Studierenden die Möglichkeit zu geben, in dem Showroom die Laborübungen Lichttechnik in kleinen Gruppen mit Abstandsregeln und Maske durchzuführen, wurden zwei Geräte UVAIR 300-F von Goldensea UV installiert. Die Geräte können 1.200 m³/h entkeimen, besitzen eine log 3-Rate und sind mit 39 dB relativ leise, so dass sie auch im Laborbetrieb durchgehend betrieben werden können. Auch für das Forum Finkenau, einem großen Veranstaltungsraum für 199 Personen, sind vier UVAIR 300-F geplant, um das Forum wieder nutzen zu können, insbesondere für anstehende Klausuren in Präsenz.

Abb. 8: Blick ins Lichtlabor, HAW-HH, Department Medientechnik, mit einer der beiden UVAIR 300-F der Firma Goldensea UV (Quelle: Greule) Greule
Abb. 9: Blick auf eine UVAIR 300-F der Firma Goldensea UV, die im Lichtlabor verbaut wurde (Quelle: Greule) Greule

10 Zukunft: UV-C-Simulationen

Spannend für die Zukunft wird neben den Feldversuchen auch die Möglichkeiten der Simulation von Luftreinigern mit innenliegenden UV-C-Quellen, die Simulation von Upper-Air-Systemen mit indirekt strahlenden UV-C-Quellen und von freistrahlenden bzw. direktstrahlenden UV-C-Quellen.

11. Literatur

[1] Ultraviolet Germicidal Irradiation Handbook; UVGI for Air and Surface Disinfection;

Wladyslaw Kowalski, 2009, [Online].

[2] Nadia Storm, L. G. A. McKay, S. N. Downs, R. I. Johnson, D. Birru, M. deSamber, W. Willaert, G. Cennini & A. Griffiths; Rapid and complete inactivation of SARS‑CoV‑2 by ultraviolet‑C irradiation, nature resorts, Scientific Reports (2020) 10:22421

[3] Einsatz mobiler Luftreiniger als lüftungsunterstützende Maßnahme in Schulen während der SARS-CoV-2 Pandemie, Stellungnahme der Kommission Innenraumlufthygiene (IRK) am Bundesamt, 19.11.2020 (online)

[4] Mindestvorschriften zum Schutz von Sicherheit und Gesundheit der Arbeitnehmer vor der Gefährdung durch physikalische Einwirkungen (künstliche optische Strahlung) (EU-Richtlinie 2006/25/EG), 5. April 2006

[5] Arbeitsschutzverordnung zu künstlicher optischer Strahlung (OStrV); Verordnung zur Umsetzung der Richtlinie 2006/25/EG zum Schutz der Arbeitnehmer vor Gefährdungen durch künstliche optische Strahlung und zur Änderung von Arbeitsschutzverordnungen, Bundesgesetzblatt Jahrgang 2010 Teil I Nr. 38, Bonn, 26. Juli 2010

Weitere Informationen:

Autor: Prof. Dr.-Ing. Roland Greule, HAW-Hamburg, Fakultät DMI, Department Medientechnik, www.haw-hamburg.de

Dieser Artikel ist erschienen in

Licht 4 | 2021

Erschienen am 25. Mai 2021