È il solvente più comunemente usato in qualsiasi ambiente di laboratorio e quindi la qualità di quell'acqua è fondamentale per gli esperimenti e i processi principali. I depuratori point-of-use sono ora il 75% di un mercato globale di circa 480 milioni di dollari per l'acqua di laboratorio ultrapura. Questi sistemi utilizzano una combinazione di tecnologie, tra cui distillazione, osmosi inversa, ultrafiltrazione, deionizzazione e disinfezione UV per la creazione di acqua di tipo 1, 2 e 3 e vanno da grandi sistemi centralizzati a piccole unità di lucidatura da banco.
Tradizionalmente, questi sistemi hanno utilizzato lampade al mercurio per fornire energia UVC per la disinfezione. Ora, i LED ultravioletti profondi (UVC) stanno emergendo come una tecnologia praticabile che offre un'alternativa compatta, efficiente dal punto di vista energetico e verde. Poiché non si tratta di un semplice sostituto plug-and-play per i sistemi basati su lampade, sono necessari nuovi modi per calcolare la potenza erogata richiesta. Comprendendo l'impatto dell'emissione spettrale led sugli spettri di azione dei microbi, gli ingegneri possono sviluppare soluzioni di nuova generazione per produrre costantemente acqua di laboratorio di alta qualità.
I LED UVC forniscono lunghezze d'onda germicide ottimali
Nella disinfezione UV, la luce nell'intervallo di 250 nm - 280 nm è più efficace nell'inattivare il DNA dei microrganismi. I progettisti di sistemi idrici di laboratorio si sono in genere affidati a lampade ad arco al mercurio a bassa pressione per accedere a questo intervallo germicida, che emette una singola uscita a 253,7 nm. La Figura 1 mostra che la linea di emissione della lampada al mercurio a bassa pressione interseca la tipica curva di assorbimento del DNA al di sotto del picco di assorbimento. Sebbene questa non sia la lunghezza d'onda germicida ottimale, c'è un'emissione sufficiente per l'inattivazione del DNA.
Confronto delle sorgenti luminose.png; Didascalia: Confronto spettrale tra lampada al mercurio a bassa pressione e LED in relazione alla tipica curva di assorbimento del DNA.
L'emissione spettrale continua del LED UVC offre una maggiore sovrapposizione delle lunghezze d'onda più critiche per la disinfezione, rendendolo una fonte di energia UVC più efficiente per questi sistemi. Tuttavia, queste differenze negli spettri di emissione richiedono una nuova metodologia per tenere conto dell'efficacia della disinfezione.
Determinazione del potere germicida dei LED UVC
Gli ingegneri di ricerca e sviluppo e i progettisti di prodotti che valutano i LED UVC hanno bisogno di un approccio sistematico per specificare e confrontare la potenza di disinfezione utile. Allo stesso modo in cui i lumen, la quantità totale di luce visibile emessa da una sorgente, forniscono una misura universale della luminosità, la specifica più utile per le applicazioni di disinfezione si basa sull'identificazione della potenza erogata utile per inattivare gli agenti patogeni. Questo è noto come il potere germicida.
Il metodo più accurato per specificare la potenza germicida richiede prima di conoscere l'agente patogeno specifico da inattivare e quindi determinare il suo spettro d'azione (cioè il profilo unico di sensibilità del patogeno per lunghezza d'onda). Il prodotto incrociato di questi spettri con gli spettri di emissione della particolare sorgente UV determina il suo potere germicida.
Differenze nella suscettibilità alle lunghezze d'onda
Mentre la suscettibilità di un agente patogeno all'energia UVC varia, il picco di assorbimento di energia UVC è generalmente inteso come da qualche parte nell'intervallo 265-270 nm. La Figura 2 mostra gli spettri d'azione per tre patogeni bersaglio o sfida comuni utilizzati nella progettazione di sistemi di disinfezione dell'acqua.
Spettri d'azione dei microbi bersaglio/sfida comuni nella disinfezione dell'acqua. Lo spettro d'azione di B. Subtillis come definito dalla norma ÖNORM; E. coli come delineato in A review of UV lamps di Henk F. J. I. Giller, in WEF 2000; e MS2 come trovato in This Way Forward: Addressing Action Spectra Bias Concerns In Medium Pressure UV Reactors, Bryan Townsend, et al.
Sebbene questi agenti patogeni presentino tutti un picco di assorbimento a circa 265 nm, vi è una variazione nella sensibilità alle lunghezze d'onda discrete. La Tabella 1 illustra questa differenza nella suscettibilità alla lunghezza d'onda in base alla loro sensibilità spettrale. Moltiplicando l'emissione di diodi UVC per la ponderazione, gli ingegneri di ricerca e sviluppo possono determinare la potenza erogata in termini di potenza disponibile per la disinfezione dell'agente patogeno specifico (cioè il potere germicida della sorgente luminosa).
Lunghezza d’onda | Ponderazione per B. subtillis | Ponderazione per E. coli | Ponderazione per 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 |
Applicazione dell'energia germicida per la produzione commerciale
Con l'aumento dell'adozione sul mercato dei LED UVC, aumenta anche il numero di fornitori. Ciò presenta più scelte per gli OEM, ma evidenzia anche variazioni nelle specifiche dei prodotti dei produttori. Durante lo sviluppo o la progettazione del prodotto può essere la preferenza dell'ingegnere osservare gli spettri dei LED discreti per confrontare i criteri di prestazione ottimali. Tuttavia, i produttori di volumi elevati richiedono un approccio più sistematico per la specifica della potenza di uscita germicida. Questo approccio di convoluzione (normalizzazione dell'uscita LED in termini di potenza germicida) ha l'effetto desiderato. Mentre i sistemi microbiologici complessi non offrono un unico approccio adatto a tutte le esigenze, questo è un passo avanti nella semplificazione che consente all'ingegnere di creare progetti sostenibili per la producibilità.
I LED UVC ad alte prestazioni consentono ai produttori di migrare dalle lampade al mercurio alle soluzioni a stato solido. I test sui sistemi basati su LED UVC hanno confermato un'efficacia germicida di oltre il 99,99%, lasciando pochi dubbi sul fatto che queste fonti di energia compatte e durevoli siano un'alternativa legittima ai sistemi a bassa pressione basati su lampade al mercurio.
Gli innovatori dei sistemi idrici di laboratorio riconoscono i LED UVC come una soluzione praticabile per lo sviluppo di sistemi ecologici ed economici senza sacrificare la qualità dell'acqua di laboratorio.
Scritto da Mark Pizzuto, Director of Product Management—Disinfection, Crystal IS.
