紫外線消毒 UV Disinfection

  1. 一般信息
    1877年,英國科學家 Thomas P. Blount和Arthur Downes發現,如果陽光照射,微生物的繁殖就會停止[1]。 進一步的研究表明,這種影響來自 320 nm以下的太陽光的不可見部分[2]。 這意味著通過使用人工輻射,也必須對細菌進行消毒。今天,我們知道這種輻射具有很強的殺菌作用,是由稱為 UVC的短波紫外線光譜提供的,它會在 240至 270 nm之間進行消毒:

      a)250 … 270 nm之間的最佳殺菌效果

      b)DNA的吸收曲線

      c)紫外線低壓燈的輻射幾乎完全由 254 nm的光譜線組成,該光譜線接近殺菌作用的最大值。

           

 

UVC的殺菌作用
圖1:UVC的殺菌作用

      與光波或無線電波一樣,紫外線輻射是電磁波輻射(光子輻射),其波長與其他規定的輻射僅不同。
      UVC是紫外線輻射光譜的短波部分,不是地球上自然發生的。因此,必須人工生產。 UVC是介於 100和 280 nm之間         的波長[3]。波長越短,輻射的能量就越高(E = h x)1)。
     輻射是電離的還是不電離的取決於能量。如果能量 > 34 eV,則會發生電離,而 UVC則無法達到(約 4.9 eV)。
     作為 UVC的光源,可以使用紫外線低壓燈和紫外線中壓燈。

電磁波輻射,提取
圖2:電磁波輻射,提取

圖3 展示了DNA是如何被破壞和復制受到抑制的。

圖3 UV-C滅活機理

通過比較負責細胞結構的不同底物的吸收曲線,脫氧核糖核酸(DNA)可以構成一種染色體,從而獲得最高的相似性。通過 UVC輻射,DNA被修飾,不再發生復制。
圖 3顯示了典型的 DNA吸收曲線。  DNA的最大吸收接近 260 nm。在 300 nm處,吸收率降至零。微生物對 260 nm附近的殺菌波長最敏感。
圖 4說明了不同的微生物如何具有不同的 uv吸收率。原因是每種微生物都有不同的細胞結構。通過 UVC輻射,DNA被修飾,不再發生進一步的繁殖。

不同幹細菌孢子的紫外線吸收
圖4:不同幹細菌孢子的紫外線吸收(來源:細菌學雜誌,1965年)
2. 消毒滅菌的定義

為了簡單地闡明定義,消毒是指使用物理或化學方法去除或殺死病原性微生物。
滅菌是指釋放生物或死亡微生物的基質。
因此,如果存在被細菌污染且經過UVC處理的材料,則應使用術語消毒。在口語中,兩者的含義相同。

 

微生物分為:
-細菌
-模具
-酵母
-病毒
-孢子

 

許多類型的微生物對 UVC的有效抵抗力相差很大。

 

殺滅劑量取決於細菌,酵母或真菌的類型

重要的是要知道,殺菌作用是在照射開始後立即開始的,並且與UVC劑量成線性關係。 此後達到平穩狀態(圖6)。

Fig. 6: UV disinfection of a polystyrol film with the disinfection kinetic of bacillus subtilis spores. The measurements have been made at the Fraunhofer Institut in Freising [6].
圖6:具有枯草芽孢桿菌孢子消毒動力學的聚苯乙烯薄膜的紫外線消毒。 測量是在弗賴辛的弗勞恩霍夫研究所進行的[6]。
3. 如何計算必要的紫外線劑量

 

要進行計算,了解波輻射單位很重要:

Name

Symbol

SI-Unit

Power of the radiation

P

W

Irradiance

E

W/cm²

Dose

H

J/cm² = Ws/cm²

 

劑量增加到輻照度,如公式所示:

 

H = E • t

 

H: Dose in mJ/cm²

E: Irradiance in mW/cm² t: Irradiation time

 

對於微生物的滅活,重要的是要知道所需的輻照時間是根據劑量 H和輻照度 E計算得出的。因此,可以在更長的時間 t和更低的輻照度下達到相同的劑量,反之亦然,因為產品的兩者仍然相同。 另一方面,照射時間只能在特定範圍內改變。 輻照度太低會導致過程開始時微生物的增加。 因此,消毒速度將比該方程式所示的慢。

 

另外,對消毒的巨大影響還在於:
– 濕度增加了(通常 以60%的相對濕度來計算)。
– 由於紫外線燈的使用壽命,紫外線輸出減少。
 (取決於燈的類型,通常在 8.000小時後,介於 20%到 35%之間。)

 

4. 多種應用的消毒系統
   
表面消毒

表面消毒的成功與否取決於待消毒材料的類型。 這不僅涉及細菌的類型(例如大腸菌及其污漬),而且還涉及表面的質地。 僅當細菌看到 UVC時才可以進行消毒。 這意味著表面的整體紋理不能太粗糙。 如果太粗糙,微陰影可以減少殺菌反應。 由於紫外線暴露的限制,處於陰影中的細菌不會得到處理。

可以通過將必要的 UVC劑量(請參見附表)乘以 uv燈與材料的距離以及該距離下的輻照度乘以得出輻照時間:

 

t = H / E          H: Dose in mJ/cm²

                         E: Irradiance in mW/cm²

 

The length of the irradiated zone is: L = v x t

 

t:   Irradiation time in s v: Feed speed in m/min

L: Length of irradiation in mm

 

在計算出照射長度 L之後,可以計算出紫外線燈的數量。 燈之間的空間應與 uv燈到被污染材料的距離大致相同。

如果機器以循環操作的方式運行(這是包裝材料機器的典型操作),則應並排安裝多個消毒單元,並在必要時將它們並在一起。

 

為了確定消毒裝置的數量,必須考慮週期數(每分鐘的時鐘脈衝),產生的周期和進料長度(要輻射的長度):

 

It is::

tl = 60s / x                                     x: Number of cycles (in a minute) tl: Cycle in s

 

It must be valid that:

tl £ B / AL                                    AL: Feed length per working tact in mm B: Radiated width of the disinfection unit

                                                             in feed direction in mm

 

 

表面消毒系統  Surface disinfection systems

 

 

 

Fig. 7: UV PIPE-NX and UV PIPE-BV
Fig. 8: UV-TEAM and UV-TEAM mounted on belt system (right picture)
Fig. 8: UV-TEAM and UV-TEAM mounted on belt system (right picture)

直接輻射系統(房間消毒)Systems for direct irradiation (room disinfection

 

提供直接輻射(房間消毒)的不同系統:

Fig. 9: UV-DIRECT
Fig. 9: UV-DIRECT 直接 UVC燈用於房間消毒
Fig. 10: UV-STICK E 儲藏室和生產線室內的空氣消毒
UV REFLEX-SC
Fig. 11: UV REFLEX-SC 減少干燥室和冷藏室中的細菌含量
Fig. 12: UV-PIPE 用於易腐食品的銷售展示中,用於對環境空氣進行消毒以防止交叉污染

用UVC燈儲存工具的系統 Systems to store tools with UVC light

UV-BOX E2/40H
Fig. 13: UV-BOX E2/40H 用於消毒和無菌儲存醫療器械,實驗室工具
UV-BOX
Fig. 14: UV-BOX: 典型用途:無病菌的手術器械存放