Технологии за UV дезинфекция в индустрията

Качеството на въздуха, който дишаме, водата, която пием, и чистотата на повърхностите са изключително важни за нашето здраве и тонус. Дезинфекция на въздуха може да се извърши чрез вентилация (отстраняване на частици, пренасящи инфекции), високоефективна филтрация на прахови частици (HEPA – за улавяне на патогени, които могат да бъдат вдишани) и ултравиолетово бактерицидно облъчване (UVGI – Ultraviolet germicidal irradiation).

Тъй като при дезинфекцията с ултравиолетово облъчване не се прилагат разтвори, от които могат да останат следи, както при останалите методи, тя може да се използва като високоефективно решение за осигуряване на ефикасно почистване на оборудването и инструментите, при което отсъства елементът на пропуск поради небрежност или човешка грешка, присъщ за почистването с ръчни средства.

Приложения на UVGI

Ултравиолетовото бактерицидно облъчване е метод за дезинфекция, при който се използва ултравиолетова светлина с малка дължина на вълната (UVC светлина), която елиминира микроорганизмите, като уврежда дезоксирибонуклеиновата киселина в клетките им, обезврежда ги и защитава здравето на хората. UVGI дезинфекцията намира приложение в хранително-вкусовата промишленост, за пречистване на храни, въздух, вода и повърхности, обеззаразяване на пространства с интензивно ползване като работни и промишлени помещения.

Ултравиолетовото облъчване е незаменимо средство за поддържане на нужните санитарно-хигиенни условия в хранително-вкусовата промишленост – производството на млечни продукти, в мандри или зали за зреене, също така производство на хляб и тестени изделия, колбаси и месни продукти и т.н. В производствените съоръжения с UVC модули най-често се облъчват въздух и повърхности. Обработват се линии и материали за опаковане и пълнене на хранителни изделия, преди продуктът да попадне в контакт с тях. Безупречната стерилност на тези материали не трябва да дава никакъв повод за съмнение, а третирането с химически препарати е недопустимо. Следователно все по-често производителите залагат на UV система, за да бъдат удовлетворени изискванията за високо качество и спазен стриктен контрол на продукцията, а също и за удължаване на срока на годност.

Характеристики на UVC лъчението

Естествената UVC светлина достига до земната повърхност в много ограничени количества, тъй като озоновият слой на атмосферата блокира тези лъчи. Устройствата за дезинфекция чрез UVGI могат да генерират достатъчно силна UVC светлина и чрез циркулационна система да облъчват въздуха или водата, като по този начин направят средата негостоприемна за микроорганизми като бактерии, вируси, плесени и други. UVGI може да бъде съчетана със система за филтриране и други хигиенно-санитарни мерки.

Спектралният диапазон на UV светлината по дефиниция е този, обхващащ дължина на вълната между 100 и 400 nm, и е невидим за човешкото око. UV спектърът се разделя на три групи според дължината на вълната UVA (дълги вълни) от 315 до 400 nm; UVB (средна дължина на вълната) от 280 до 315 nm; UVC (къси вълни) от 100 до 280 nm.

Силният бактерициден ефект се постига чрез облъчване с UVC светлина. Тъй като прякото излагане може да причини раздразнение на кожата и конюнктивит, бактерицидната система се проектира така, че да не позволява директната експозиция на части на тялото на UVC светлина, за да се избегнат нежелани ефекти.

UVC лъчите се поглъщат в голяма степен от повечето материали, а обикновеното плоско стъкло дори напълно абсорбира лъчите от тази част на спектъра, което прави избягването на пряко излагане сравнително лесно постижимо. Изключения от тези материали са кварцът и PTFE (политетрафлуоретилен). Освен това UVC се поглъща предимно от мъртвата тъкан на кожата и не може да проникне до зеницата на окото, но въпреки това би могла да предизвика конюнктивит.

Генериране на UVC светлина и видове източници

Най-ефективният източник на UVC лъчение е живачната лампа с ниско налягане. Както е известно, живачната лампа е вид газоразрядна лампа, която използва електрическа дъга в среда на живачни пари. В резултат на газовия разряд, т.е. протичането на електрически ток през разреден газ, се образува газоразрядна плазма и се генерира светлина. При прилагане на електрично поле атомите на газа се възбуждат и изпускат видима или ултравиолетова светлина, като се излъчват характерните за дадения химичен елемент линейни спектри. При живачната лампа с ниско налягане средно около 35% от мощността на захранването се преобразуват в UVC лъчение. Съгласно приетите стандарти UVC дезинфекция се извършва с облъчване с дължина на вълната от 254 nm. Това е диапазонът, към който ДНК структурата на микроорганизмите е най-чувствителна и при който се осигурява 85% от максималния бактерициден ефект. Дозата облъчване, която е нужна, за да се разруши даден вид микроорганизъм се нарича LD90, т.е. това е дозата, при която ДНК на микроорганизмите се променя, прекъсва се клетъчното делене и се предотвратява разпространението.

При взаимодействието с кислорода във въздуха вълни с дължина под 240 nm образуват озон (O₃). Озонът е токсичен и силно реактивен, следователно трябва да се вземат предпазни мерки, за да се избегне експозицията на хора и някои материали на озон. Тръбните флуоресцентни живачни лампи с ниско налягане се предлагат с корпус от специално стъкло, което филтрира озонообразуващата радиация. Европейските институции, както и Националният център по заразни и паразитни болести в България, препоръчват употребата на безозонови UV лампи в помещенията с присъстващ персонал. Като защитна мярка на пазара се предлагат източници със специално синтетично кварцово стъкло, което потиска образуването на озон. Предлагат се лампи с различни параметри според температурния диапазон, в който ще се прилагат. Например при минусови температури в охладителни камери специална тефлонова обвивка предотвратява спукването на лампата и разпръскването на стъкла, което би имало критични последици в ХВП.

Електрическите характеристики и механичните свойства на различните бактерицидни лампи съвпадат с тези на осветителните лампи. Това позволява те да се инсталират и употребяват по същия начин, като за монтажа се използва електронен или магнитен баласт. Както при всички лампи с ниско налягане, съществува връзка между работната температура и производителността на лампата. В лампите с ниско налягане резонансната честота при 254 nm е най-силна при определено налягане на живачните пари в газоразрядната тръба, което зависи от работната температура, и има оптимална стойност при температура на тръбата 40°C, съответстваща на температура на околната среда около 25°C. Друг фактор, който влияе на производителността на лампата, са въздушните течения (изкуствени или естествени), които влизат в съприкосновение с лампата – т.нар. коефициент на охлаждане. При някои лампи увеличаването на въздушния поток и/или понижаването на температурата може да увеличи бактерицидната ефективност. Такъв е случаят при високопроизводителните лампи, които работят с по-голяма мощност от нормалната за техните линейни размери.

Друг тип източник на UV излъчване е живачната лампа със средно налягане, при която по-високото налягане възбужда по-високоенергийно излъчване, произвеждайки повече спектрални линии и континуум (рекомбинирано излъчване). Трябва да се отбележи, че в тези случаи при кварцово тяло е възможно пропускане на лъчение с дължина на вълната под 240 nm, което да доведе до образуване на озон при взаимодействие с въздуха, което налага допълнителна защита.

Предимствата на източниците със средно налягане са висока плътност на мощността и висока мощност, което намалява броя на необходимите тела в сравнение с разновидностите с ниско налягане за дадено приложение. Лампите със средно налягане демонстрират по-ниска чувствителност към температурата на околната среда. Те трябва да работят при температура на тръбната стена между 600 и 900°C. Тези лампи, както и лампите с ниско налягане, могат да бъдат затъмнени.

Бактерицидно действие

Излъчваната от източника UV светлина се изразява във ватове (W), а плътността на излъчването се определя във ватове на квадратен метър (W/m²). Ефективността на бактерицидното действие зависи от дозата облъчване. Дозата представлява плътността на излъчване, умножена по времето (t) в секунди и изразена в джаули на квадратен метър (J/m²). (1 джаул е 1 W.секунда).

Ефективността на бактерицидното действие нараства с увеличаване на дължината на вълната и достига пикова стойност при 265 nm, след което спада. Устойчивостта на различните микроорганизми на UV светлина варира в значителни граници. Освен това средата, в която се намира конкретният микроорганизъм, оказва силно влияние на дозата облъчване, необходима за унищожаването му. Например водата може да абсорбира част от ефективното лъчение в зависимост от концентрацията на замърсители в нея. Железните соли във воден разтвор съдържат известни инхибитори, като железните йони абсорбират UV светлината. Приблизителната степен на оцеляване на микроорганизмите при излагане на ултравиолетова светлина се изразява със зависимостта N_t/N₀ = exp. (-kE_eff t), където N_t е броят на микроорганизмите в даден момент t; N₀ е броят на микроорганизмите преди облъчване; k е константа, зависеща от вида на патогена; Eeff е ефективната плътност на излъчване във W/m². Полученият коефициент E_efft се нарича ефективна доза H_eff и е изразена в W.s/m² или J/m².

Ефективната доза (H_eff) зависи от времето на експозиция и ефективното облъчване (това, което унищожава патогените). Дозата обаче се ограничава от способността за проникване в дадена среда. Тази способност се определя с т.нар абсорбционен коефициент. За твърди вещества пълното поглъщане се случва на повърхността. За водата то зависи от нейната чистота.

Основни типове модули

Цялостното решение за дезинфекция на промишлени помещения с UVC облъчване включва източник, необходима електроника, модули за управление на електрониката и устройства за мониторинг – UV метър, измерващ и валидиращ наличието на ефективни стойности на интензитета.

Удачно решение за индустриални пространства, в които има присъствие на персонал, са модули от затворен тип, които сами осигуряват циркулация на въздуха чрез вграден вентилатор. Облъчващите тела са скрити в модула и не могат да навредят на персонала. Според размерите на пространството се изчислява и необходимият капацитет на инсталацията. При тези модули определен обем от въздух трябва да премине през дезинфекциращия модул за единица време и да осигури необходимата ефективна доза лъчение за унищожението на дадени микроорганизми.

С открит тип модули могат да се деактивират бактерии и вируси както върху повърхности, така и във въздуха. Важно е позиционирането им да бъде прецизно съобразено (към тавана или стена), за да не се допусне директно облъчване на хора. Препоръчително е лампите от отворен тип да се включват в отсъствието на персонала.

Модули за дезинфекция могат да бъдат внедрени в ОВК системата на индустриалните сгради, като лампите се вграждат на пътя на въздушния поток след филтри за прахови частици, за да могат микроорганизмите да получат ефективната доза облъчване.

Изборът на типа лампа зависи от конкретното приложение. В повечето случаи моделите с ниско налягане са най-привлекателни, тъй като бактерицидните лампи като цяло демонстрират висока ефективност при унищожаването на микроорганизмите, поради което нуждата от лампи с висока мощност е рядкост. За пречистване на вода се използват както лампи с ниско, така и със средно налягане, въпреки че не е задължително изборът да се основава на UVC ефикасността. Първоначалните общи разходи за инсталация на системата могат да се окажат решаващият фактор, а не ефикасността. Интензитетът и работните часове на лампите трябва да бъдат следени в реално време, за да се гарантира ефективното им действие.