Desinfektion mit UV-C

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  1. Allgemeine Grundlagen

    Im Jahr 1878 wurde von Arthur Matthew Weld Downing und Thos. P. Blunt eine wissenschaftliche Arbeit veröffentlicht, die den Effekt von Licht auf Bakterien und andere Organismen darstellt und untersucht.
    Link: https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspl.1877.0068

    Weitere Untersuchungen folgten mit Sonnenlicht, bis künstliche Lichtquellen verwendet wurden und Effekte von monochromatischer UV Strahlung ab dem Jahr 1938 von A. Hollaender in diversen Publikationen veröffentlicht wurden.
    Link: https://books.google.de/books?id=zoFAu0APLjIC&pg=RA2-PA53&dq=Abiotic+and+Sublethal+Effects+of+Ultraviolet+Radiation+on+Microorganisms&hl=de&sa=X&ved=2ahUKEwirur3RpPzqAhVS66QKHaP8CDgQ6AEwAHoECAMQAg

    Zum heutigen Zeitpunkt ist bekannt das sich die effektivste Strahlung zur Abtötung von Mikroorganismen zwischen 240 nm und 270 nm befindet und es sich hier um UV-C Strahlung handelt.

    Was genau sind UV-Strahlen?
    Ebenso wie Licht oder Hörfunkwellen (UKW / FM) gehören UV-Strahlung zur elektromagnetischen Wellenstrahlung, die sich von der Wellenlänge im elektromagnetischen Spektrum unterscheiden. So haben zum Beispiel Radiowellen die größten Wellenlängen und könnten zum Beispiel länger als ein Fußballfeld sein. Für den U-Boot-Funk können Wellen mehrere 10 km lang sein, damit Nachrichten über große Entfernungen übertragen werden können. Die Angabe der Wellenstrahlung erfolgt in Wellenlänge und in Frequenz (1/s). Sie beträgt bei Längstwellen (very low frequency, VLF) 3 bis 30 kHz und bei Langwellen (low frequency, LF) 30 bis 300 kHz. Für den Rundfunkdienst sind die Frequenzen von 87,5 – 108 MHz bekannt. Für den digitalen Rundfunk DAB sind die Frequenzen von 174 – 223 MHz reserviert.

    Das elektromagnetische Spektrum besitzt verschiedene Eigenschaften, so unter anderem auch einen Teil des Spektrums mit sichtbaren Licht, welcher von unserem Auge erfasst werden kann. Er reicht von Rot (750 nm) bis Violett (400 nm). So sehen wir nur einen begrenzten Teil des elektromagnetischen Spektrums, für den restlichen Teil greifen wir auf technische Hilfsmittel (z.B. Radio) züruck und könnten diese Informationen aufnehmen.

    Der Ultraviolett-Bereich unterteilt sich in verschiedene Bereiche und ist in der Größenordnung von 380 nm bis 1 nm zu finden. Die Frequenz in diesem Bereich beträgt 789 THz bis 300 PHz und besitzt damit schon für genug Energie, um Zellen zu schädigen. Das beste Beispiel hier ist der direkte Einfluss der UV-Strahlung auf unsere Haut bei zu langer Sonneneinwirkung. Die Sonne strahlt nicht nur im sichtbaren Licht, sondern auch im Infrarot und UV-Bereich.

    Der Bereich der UV-C Strahlung erstreckt sich im Bereich von 100 – 280 nm und ist der energiereichste Teil der optischen Strahlung. Durch diese energiereiche Strahlung kann die UV-C Strahlung Erbsubstanz schädigen und wird so abtötend oder inaktivierend auf Mikroorganismen und Viren.

    Verschiedene Mikroorganismen haben eine individuelle Sensitivität gegenüber der Bestrahlung mit UV-C, wodurch eine hohe UV-C Leistung notwendig ist um die Bestrahlung effektiv durchführen zu können.

  2. Berechnungen der UV-C Strahlungsdosis zur Inaktivierung

    Um eine effektive Bestrahlung durchführen zu können, sind Simulationen und Berechnungen und Kenntnisse der Strahlungsleistung, Bestrahlungsstärke und Strahlungsdosis notwendig.


Zusammenhang zwischen Bestrahlungsdosis und Bestrahlungsstärke

H = E * t

H = Bestrahlungsdosis in J/cm² (Ws/cm²)

E = Bestrahlungsstärke in W/cm²

t = Dauer der Bestrahlung in s

Gleichung erster Ordnung bei der Bestrahlung und Abtötung von Mikroorganismen. Exponentieller Bevölkerungsrückgang

S=e-kEt

S = überlebender Anteil der ursprünglichen mikrobiellen Population

k = Standardkonstante (cm²/ μJ)

E = Bestrahlungsstärke (μW/cm²)

t = Dauer der Bestrahlung in s

Einige UV Standardkonstanten für Krankheitserreger der Atemwege

Adenovirus: 0.000546 cm²/ μJ

Influenza A: 0.001187 cm²/ μJ

Coxsackievirus: 0.001108 cm²/ μJ

Zweistufige Überlebenskurve

Im Allgemeinen ist ein kleiner Teil jeder mikrobiellen Population resistent gegen UV Strahlung oder anderen bakteriziden Faktoren. Typischerweise erliegen über 99% der mikrobiellen Population einer anfänglichen Exposition, aber eine verbleibende Fraktion überlebt manchmal über längere Zeiträume. Dieser Effekt kann auf Verklumpung oder auf andere Faktoren zurückzuführen sein.

S=(1-f)e-k1Et + fe-k2Et

S = überlebender Anteil der ursprünglichen mikrobiellen Population

k1 = Standardkonstante für schnell zerfallende Population (cm²/ μJ)

k2 = Standardkonstante für resistente Population (cm²/ μJ)

f = Resistenzfaktor

E = Bestrahlungsstärke (μW/cm²)

t = Dauer der Bestrahlung in s

 

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