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UVC-LEDs - Den Keimen keine Chance!

Gegen Viren wird schon lange gekämpft. Chemische Verfahren sind gegen Mikroorganismen wie Viren und Bakterien allerdings nur bedingt wirkungsvoll, da diese Resistenzen entwickeln können. UV-Licht ist da eine viel effektivere Methode zur Desinfektion und Entkeimung von Wasser, Luft und Oberflächen,also auch im Kampf gegen Coronaviren.

Um die Schutzkleidung des medizinischen Personals der Huoshenshan-Klinik im chinesischen Wuhan zu desinfizieren und so zu verhindern, dass sich das Sars-CoV-2-Virus außerhalb der Klinik verbreitet, wurde erstmalig ein Desinfektionszelt mit UVC-LEDs ausgerüstet. Bei dem 1,5 m × 0,75 m × 2 m großen Raum mit Softshell-Wänden wurden die reflektierende Oberfläche der Decke, die Wände und die Bodenplatte mit UVC-Strahlern des amerikanischen Herstellers Bolb versehen. Während der 30 Sekunden andauernden Bestrahlung gaben die UVC-LEDs bei einer permanenten Helligkeit von 200 μW/cm2 eine Dosis von 6 mJ/cm2 ab. Ihre Lichtwellen mit Längen von 265 bis 280 nm zerstören genetische Information und sorgen so dafür, dass das Virus sich nicht mehr ausbreiten und keine Zellen mehr befallen kann.

Künstliche UV-Quellen

Lange Zeit wurde ultraviolettes Licht mit quecksilberbasierten Strahlungsquellen erzeugt, etwa mit Nieder- und Mitteldruck-Quecksilber- (Hg) Dampflampen. Diese erzeugen durch Gasentladung UV-Licht im Spektrum von 185 bis 405 nm. Außerdem lässt sich UV-Licht mit UV-Kaltkathodenröhren (UV-CCL oder UV-Lampe) in einem Spektrum von 185 bis 405 nm durch Glimmentladung hervorbringen.

UV-LEDs geben UV-Strahlen in einem Spektrum von 227 bis 405 nm mittels Elektrolumineszenz ab. Vor allem bei UVC-LEDs sind genau die Wellenlängen am intensivsten, die die stärkste keimtötende Wirkung haben, nämlich zwischen 260 und 270 nm. Bild 1 zeigt das für Kryptosporidien - Parasiten, die sich vor allem durch verunreinigtes Trinkwasser verbreiten. Andere Erreger, Bakterien und Viren wiesen ganz ähnliche Charakteristika auf.

Zudem überzeugen LEDs durch eine stabile spektrale Ausgangsleistung bei gegebener Temperatur und eine fast unbegrenzte Zahl an Schaltzyklen, was sie für mobile Lösungen prädestiniert, die sofort die volle Lichtleistung liefern sollen.

Multiple Waffen im Detail

Für das menschliche Auge sind die UV-Strahlen in ihrem gesamten Wellenbereich von 100 bis 400 nm unsichtbar. Sie werden je nach Frequenzbereich in UVA-, UVB- und UVC-Strahlen eingeteilt. Diese wirken sich unterschiedlich auf Lebewesen aus.

Bei LEDs lässt sich die Wellenlänge relativ frei wählen. UVA-LEDs haben mit 315 bis 400 nm eine größere Eindringtiefe in streuendes biologisches Gewebe, wie etwa menschliche Haut, als UVB- und UVC-Strahlen. Genutzt werden UVA-LEDs in der Zahnheilkunde und zu kosmetischen Zwecken, z.B. im Sonnen- oder Nagelstudio. Im industriellen Sektor kommen UVA-LEDs zum Einsatz, um Harze, Kleber und Lacke auszuhärten.

Mit einer Wellenlänge von 280 bis 315 nm weisen die Strahlen der UVB-LEDs eine vergleichsweise geringe Eindringtiefe in streuendes biologisches Gewebe auf. Allerdings werden sie stärker gestreut. UVB-Strahlen fördern die Bildung von Vitamin D im menschlichen Körper. Die UVB-LEDs sind daher überwiegend im medizinischen Bereich zur Fototherapie und hautärztlichen Behandlung zu finden.

Keine Abwehr gegen UVC-Strahlen

Das energiereiche Licht der UVC-LEDs wird in biologischem Gewebe noch stärker gestreut. Mit einer Wellenlänge von 100 bis 280 nm dringen die Strahlen nicht sehr tief in das Gewebe ein; dennoch können sie ungeschützte Haut verbrennen. Da die Ozonschicht in der Atmosphäre der Erde die natürliche UVC-Strahlung des Sonnenlichts absorbiert, hat kein irdischer Organismus Abwehrmechanismen gegen UVC-Strahlen entwickelt. Das gilt auch für Viren und Bakterien. Diese Verwundbarkeit macht die Bestrahlung mit künstlichem UVC-Licht zur besonders effektiven Methode für die Sterilisation und Desinfektion.

UVC-LEDs in der Praxis

Jeder Keim reagiert unterschiedlich auf UVC-Strahlung. Deshalb ist die Intensität der Bestrahlung auf die gewünschte Reduktionsrate, also die Anzahl der abgetöteten Mikroorganismen, auszulegen. Dabei verhält sich die Intensität der UV-Strahlung umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands. Das heißt: Nimmt die Entfernung zur Strahlungsquelle zu, verliert die UV-Strahlung sehr schnell an Wirkung. Das zu desinfizierende Objekt sollte deshalb so nahe wie möglich am Emitter sein.

Häufig werden Viren, wie auch das Sars-CoV-2-Virus, durch die Luft verbreitet. Damit bietet sich der Einsatz von UVC-LEDs in Luftaufbereitungssystemen und Klimaanlagen an. Neben der erforderlichen Reduktionsrate sind hier auch der Luftdurchsatz und die Geometrie der Luftströmung zu berücksichtigen.

Besonders effektiv zum Abtöten von Keimen hat sich UV-Licht mit einer Wellenlänge von 254 nm erwiesen. Bei direkter Anwendung kann dies aber ein Gesundheitsrisiko für Haut und Augen darstellen. Im Gegensatz dazu macht sogenanntes Fernes UVC-Licht (207 bis 222 nm) Erreger in der Luft ebenfalls größtenteils unschädlich, jedoch ohne exponiertes menschliches Gewebe zu schädigen.

Desinfektion von Oberflächen

Andere Viren und Bakterien werden auch über Oberflächen weitergereicht, etwa Grippe-, Noro- oder Rota-Viren sowie Streptokokken und Salmonellen. Für die Sterilisation größerer Oberflächen eignet sich z.B. die Low-Power-UVC-LED PU35CL1.0 von Lextar mit einer Leistung von 2 bis 4 mW und 20 mA. Mit ihr lassen sich aber auch Getränke pasteurisieren, antimikrobielle Lebensmittel verpacken sowie Zahnbürsten entkeimen.

Für die Installation auf kleinem Raum hat Bolb die kompakte Mid-Power-UVC-LED S3535-DR100-W272-P40 mit den Maßen 3,5 × 3,5 × 0,9 mm3 auf den Markt gebracht. Mit einer Gleichstromleistung von 40 mW bei nur 100 mA zeichnet sie sich durch den weltweit geringsten Energieverbrauch bei niedrigster Wärmeentwicklung aus.

Im High-Power-Segment hat Bolb mit der UVC-LED S6060-DR250-W272-P100 das leistungsstärkste Bauteil mit einer Gleichstromleistung von 100 mW bei 250 mA im Programm.

Die UVC-LEDs von Bolb eignen sich besonders für die Trinkwasseraufbereitung bzw. Wasserdesinfektion etwa in Pools oder Wohnmobilen sowie für Anwendungen mit höheren Anforderungen an die Bestrahlungsstärke (W/m2), wie es sie z.B. bei industriellen Filtersystemen und Luftentkeimern, Desinfektionsboxen in der Medizin oder Staubsaugern gibt.

Auswahlkriterien für UV-LEDs

Ein bedeutendes Selektionskriterium für UV-LEDs ist ihr Öffnungswinkel; je nach Anwendung sind bestimmte Abstrahlwinkel erforderlich. Die UVC-LEDs von Bolb haben einen Öffnungswinkel von 150°; dieser lässt sich mit Linsen von Ledil nach Bedarf fokussieren. Da sich dadurch die bestrahlte Fläche reduziert, erhöht sich die Strahlungsleistung pro Quadratmeter; die für die Exposition benötigte Zeit sinkt bei gleicher Leistung. Durch verschiedene UV-Linsen mit kompatiblen Objektiven ist die Leuchtleistung so für unterschiedliche Zwecke leicht skalierbar. Ledil nutzt für seine UV-Linsen eine spezielle Silikonqualität, die UVC-Wellenlängen besonders gut überträgt, sowie Aluminiumreflektoren, die bei allen UV-Wellenlängen stark reflektieren und sich damit besonders für Desinfektionsanwendungen eignen.

Andere Selektionskriterien für UV-LEDs sind die landesspezifischen UV-Normen, ihre Reflektivität auf verschiedenen Materialien (Bild 3), Wärmemanagement, Treiber, Stromverbrauch und das Abstands- bzw. Entfernungsgesetz, das beschreibt, wie stark die Strahlstärke mit wachsender Entfernung zur Lichtquelle abnimmt.

Viele dieser Kriterien erfüllt der Blazar-Flächenstrahler von Bolb. Das UVC-Modul mit 25 LEDs (5×5) und 55°-Reflektor erzielt eine effektive Leistung von 2 W bei einer Stromaufnahme von nur 1,25 A.

Noch in der Entwicklung befinden sich Multi-UV-LEDs. Mit einem Dual-Wellenlängen-Chip decken sie z.B. UVA- und UVC-Strahlen ab. Damit sind sie fast eine Allzweckwaffe im Kampf gegen Viren, Bakterien und andere Erreger.

Krankheitserreger gezielt bekämpfen

Ursprünglich wurden UVC-LEDs konstruiert, um gegen multiresistente Keime wie etwa Methicillin-resistente Staphylokokken (MRSA) vorzugehen. Aktuell wird getestet, inwieweit sich UVC-LEDs auch zur Bekämpfung von Viren nutzen lassen. Viren können sich nur mithilfe eines Wirts reproduzieren. Sie befallen eine Zelle, um diese anhand der zelleigenen Ribonukleinsäure (RNA) "umzuprogrammieren". Während die neu produzierten Viren weitere Zellen infizieren, wird die Wirtzelle durch diesen Reproduktionsprozess zerstört. Hochenergetisches, kurzwelliges UVC-Licht wird von der RNA des Virus absorbiert. Die genetischen Informationen werden dabei zerstört. Das Virus ist dadurch nicht mehr in der Lage zu streuen und kann keine weiteren Zellen infizieren.

 

Komponenten gibt es auf www.rutronik24.de.

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