Innovative UVC-Desinfektion mit LED-basierten Systemen von AQUISENSE

Die Firma AQUISENSE Technologies aus den USA ist weltweit führend in der Entwicklung und Herstellung von UVC-LED-Systemen zur Desinfektion von Wasser, Luft und Oberflächen. Aufgrund der einzigartigen Vorteile solcher LED-Systeme wurden innovative Lösungen und Produkte zur Desinfektion entwickelt.

Desinfektion mit UVC-Technologie

Die Desinfektion mittels ultravioletter Bestrahlung bietet einen entscheidenden Vorteil: Es müssen keine gesundheitsschädlichen und umweltbelastenden Chemikalien eingesetzt werden. Da keine Dosierungen kontrolliert werden müssen, besteht weder die Gefahr einer Über- noch einer Unterdosierung. Dieser wesentliche Vorteil hat zur weiten Verbreitung der UVC-Technologie in den letzten 20 Jahren beigetragen.

Elektromagnetische Strahlung kann über die Wellenlänge in verschiedene Bereiche eingeteilt werden. Die für das menschliche Auge sichtbare elektromagnetische Strahlung hat Wellenlängen zwischen 380 und 780nm (Nanometer) wird als Licht bezeichnet. Infrarot-Strahlung hat größere Wellenlängen und ultraviolette Strahlung hat kürzere Wellenlängen als sichtbares Licht.

Ultraviolette Strahlung ist also eine elektromagnetische Strahlung kurzer Wellenlänge, welche für das menschliche Auge nicht sichtbar ist (einige Tierarten wie z.B. Bienen können diese jedoch wahrnehmen). Ultraviolett bedeutet dabei „jenseits von Violett“, denn violett erscheint der Farbreiz der kürzesten noch sichtbaren Wellenlänge. Der Frequenzbereich der ultravioletten Strahlung mit Wellenlängen zwischen 100 bis 380nm kann dabei weiter in die Bereiche UV-A, UV-B und UV-C sowie Vakuum-UV unterteilt werden.

Innovation durch UV-C-LED-Technik

Die LED-Technik revolutionierte die Bildschirm- und Beleuchtungstechnik. Genauso ermöglicht die Verwendung spezieller UVC-LED die Entwicklung vollkommen neuer Desinfektionssysteme. Ein erster Schritt war die Verwendung von UVC-LED-Systemen zur Nachbehandlung von gefiltertem Wasser in Kleinanlagen. Hier war die Verwendung konventioneller Systeme mit quecksilberbasierten UV-Dampflampen nicht möglich.

Wenn eine elektrische Spannung angelegt wird, emittiert die LED elektromagnetische Strahlung einer bestimmten Wellenlänge. Diese Wellenlänge kann durch das Aufbringen verschiedener Beschichtungen, welche die Strahlung durchdringt, weiter verändert werden. Dadurch können LEDs elektromagnetische Strahlungen verschiedenster Wellenlängen erzeugen, einschließlich sichtbarem Licht, Infrarotstrahlung und UV-C-Strahlung. So kann je nach Anwendung die gewünschte Wellenlänge erzeugt werden. Zum elektrischen Anschluss sowie zum thermischen und physischen Schutz ist die LED in ein spezielles Gehäuse integriert. Dieser Aufbau erhöht die Leistungsfähigkeit und verlängert die Lebensdauer der LED erheblich.

Quecksilberfreie UVC-LEDs als sichere Alternative

Obwohl die Desinfektion mit ultravioletter Bestrahlung wesentlich sicherer als die chemische Desinfektion ist, enthalten konventionelle UV-Lampen zwischen 20 bis 200mg gefährliches Quecksilber. Die klassischen UV-Lampen müssen regelmäßig ausgewechselt werden. Während des Transports, des Auswechselns oder des Betriebs können die Lampen leicht zerbrechen. Dadurch kann das im Leuchtmittel enthaltene giftige Quecksilber austreten.

Konventionelle UV-C-Lampen sind Glasröhren, welche Quecksilber entweder in flüssiger Form (Mitteldruckstrahler) oder in fester Form als Amalgam, eine Legierung aus Kupfer, Zinn, Silber und Quecksilber, enthalten. Besonders problematisch sind UV-Lampen mit flüssigem Quecksilber, auch wenn diese ausgeschaltet sind. Bei Einschalten der Lampe verdampft das Quecksilber. Sollte der Glaskörper während der Einschaltzeit zerbrechen, kann das verdampfte Quecksilber entweichen. Unfälle oder unvorsichtiger Umgang, gerade beim Wechseln der UV-Lampen, können Menschen und Umwelt mit giftigem Quecksilber belasten.

Dagegen sind UV-C-LEDs frei von gefährlichem Quecksilber. Damit sind sie eine sichere und umweltfreundliche Alternative. Durch die Quecksilberfreiheit von UV-C-LEDs wurden neue UV-Desinfektionslösungen in der Medizintechnik sowie Luft- und Raumfahrt möglich, bei denen vorher UV-C-Lampen aufgrund des Risikos des Glasbruchs und der damit v erbundenen Kontamination mit Quecksilber nicht eingesetzt werden konnten. UV-C-LEDs enthalten nur sehr geringe Mengen an Metallen wie Gallium und Magnesium sowie Halbmetallen wie Silizium und Bor. Diese Metalle und Halbmetalle sind in einer stabilen Kristallstruktur gebunden und kommen nicht mit der Umwelt in Kontakt. Diese Struktur schützt die UV-C-LEDs wirksam vor mechanischen Stößen und externen Einflüssen.

Die Quecksilberfreiheit von UV-C-LED-Systemen bietet folgende Vorteile:

• Sicherer Betrieb und Umgang – kein Risiko eines Glasbruchs
• Reduzierte Kosten, insbesondere Sicherheitskosten (keine Schulungen notwendig)
• Sicherheit in Bezug auf zukünftige Umweltauflagen
• Sicherheit bei Installation und Einsatz der Systeme (kein Entweichen von Quecksilber)
• Reduzierte Produkt- und Haftungsrisiken

Nach der UN Minamata Konvention sollte Quecksilber in allen Bereichen vermieden werden. Zukünftige Regulierungen und Umweltauflagen werden dieses Ziel verfolgen. Daher ergeben sich auch Auswirkungen auf den Bereich UV-C-Lampen, so dass die UV-C-LED-Technologie eine sichere Alternative ist.

Desinfektion direkt am Entnahmepunkt

Grundsätzlich ist eine UV-C-LED strukturell um ein Vielfaches kleiner als eine klassische UV-C-Quecksilberdampflampe. Die wesentlich kleinere LED hat aber eine wesentlich höhere ultraviolette Leistungsdichte, d.h. die LED kann auf einer gegebenen Fläche wesentlich mehr Licht ohne zusätzliche optische Komponenten aussenden als eine konventionelle Dampflampe. Außerdem können die zur Steuerung und Überwachung der UV-C-LEDs notwendigen elektronischen Schaltungen mit wesentlich kleineren elektronischen Bauteilen als die Vorschaltgeräte klassischer Dampflampen r ealisiert werden. Insgesamt hat ein UV-C-LED-Desinfektionssystem wesentlich geringere Abmessungen als ein klassisches UVC-System.

Aufgrund der hohen Leistungsdichte der UVC-LED-Technologie und der innovativen elektronischen Steuerung sind UVC-LED-Desinfektionssysteme wesentliche kleiner und kompakter als herkömmliche UVC-Systeme mit Dampflampen. Dadurch wird eine wesentlich einfachere und tiefere Integration in den gesamten Desinfektionsprozess möglich. Somit kann direkt am Entnahmepunkt, also beispielsweise dem Auslauf eines Wasserspenders, das durchfließende Wasser desinfiziert werden.

Volle Desinfektionswirkung sofort nach dem Einschalten

Konventionelle Quecksilberdampflampen erreichen nicht sofort nach dem Einschalten ihre volle Strahlungsleistung. Erst nach einer gewissen Aufwärmzeit und der damit verbundenen Erwärmung wird die volle Desinfektionswirkung erreicht. Je nach System und Lampentyp kann diese Aufwärmzeit bis zu 10 Minuten betragen. Daher müssen herkömmliche UV-C-Systeme mit Quecksilberdampflampen ständig eingeschaltet bleiben und mit voller Leistung arbeiten, was einen jährlichen Wechsel der UV-C-Leuchtmittel erforderlich macht.

Im Gegensatz dazu erreichen UV-C-LED-Systeme sofort nach dem Einschalten ihre volle Strahlungsleistung und somit die volle Desinfektionswirkung. UV-C-LEDs benötigen keine Aufwärmzeiten, wodurch eine bedarfsgerechte Desinfektion ermöglicht wird. Diese Systeme können beliebig oft und kurz eingeschaltet werden, was zu erheblichen Energieeinsparungen führt und die Lebensdauer der UV-C-Systeme verlängert. Häufiges Ein- und Ausschalten verringert also nicht die Lebensdauer der UV-C-LEDs. Sie sind nur dann eingeschaltet, wenn tatsächlich Wasser fließt.

Durch die längere Lebensdauer der UV-C-LEDs verlängern sich die Wartungsintervalle erheblich, sodass die Betriebszeiten auf mehrere Jahre erhöht werden können. Die reduzierte Anzahl an Wechseln der UV-C-Einheiten führt zudem zu deutlich niedrigeren Betriebskosten und einer geringeren Umweltbelastung.

Unbegrenzte Schaltzyklen

Konventionelle quecksilberbasierte UV-Lampen können nicht beliebig oft ein- und ausgeschaltet werden, da häufige und kurze Schaltzyklen die Lebensdauer der Lampen verkürzen. Dies führt zu einer Abnahme der Strahlungsintensität und somit der Desinfektionswirkung. Ein vorzeitiger Ausfall der UV-C-Lampe verursacht zudem erhebliche Wartungskosten.

Im Vergleich dazu wird die Lebensdauer einer UV-C-LED nicht durch die Anzahl der Schaltzyklen beeinträchtigt. LEDs können beliebig oft und auch kurzzeitig ein- und ausgeschaltet werden, ohne die Lebensdauer zu verkürzen. Dadurch wird eine Desinfektion genau nach Bedarf möglich. Die UV-C-LED-Einheit wird nur dann aktiviert, wenn eine Desinfektion notwendig ist, beispielsweise bei der Entnahme von Trinkwasser aus einem Wasserhahn. Dies führt nicht nur zu wesentlich geringeren Wartungskosten, sondern spart auch Energie. Die Energieeinsparung resultiert aus kürzeren Einschaltzeiten und der geringeren Leistungsaufnahme von UV-C-LEDs. Mit UV-C-LED-Desinfektionssystemen ist sowohl eine kontinuierliche als auch eine zyklische Desinfektion mit häufigen und kurzen Schaltzyklen problemlos möglich.

Da die Lebensdauer von UV-C-LEDs unabhängig von der Anzahl der Schaltzyklen ist, eröffnen sich völlig neue Anwendungen der Desinfektion mit ultraviolettem Licht. Durch kurze Schaltzyklen, geringen Energieverbrauch, kompakte Bauformen und sehr geringe Wartungskosten amortisieren sich die Anschaffungskosten schnell. Diese höhere Wirtschaftlichkeit ermöglicht den Einsatz dieser Systeme in Anwendungen, bei denen dies zuvor aus Kostengründen nicht möglich war. Besonders vorteilhaft ist dies für Systeme mit unterbrochenem Wasserfluss und vielen täglichen Schaltzyklen, wie beispielsweise bei der Desinfektion direkt am Wasserhahn oder bei Wasserspendern. Häufige kurze Ein- und Ausschaltungen haben keinen Einfluss auf die Lebensdauer der Einheit.

Temperaturunabhängigkeit von UVC-LED-Systemen

Klassische UVC-Lampen erwärmen sich im Betrieb, da sie sowohl Licht als auch Wärme über die gesamte Oberfläche abgeben. Der Wasserfluss führt diese Wärme nur teilweise ab. Da konventionelle UVC-Lampen jedoch aufgrund ihres Funktionsprinzips meist dauerhaft eingeschaltet sind, kommt es zu einer deutlichen und messbaren Erwärmung des Wassers. Dadurch kann es zu Anhaftungen und Ablagerungen an den Glasröhren kommen, in denen die UVC-Leuchtmittel vom Wasser abgeschirmt sind. Dadurch wird aber die Strahlungsleistung und damit die Desinfektionswirkung dieser Systeme reduziert.

Um solche Ablagerungen zu verhindern, erfordern konventionelle UV-Systeme verschiedene Maßnahmen wie regelmäßige Spülungen mit heißem Wasser bei ausgeschalteter Lampe, mechanische Reinigung der Glasröhren oder eine periodische Dimmung der UV-C-Lampe zur Reduzierung der Wassertemperatur. Diese Maßnahmen erhöhen jedoch die Kosten und die Komplexität der konventionellen UV-C-Systeme.

UV-C-LEDs erzeugen grundsätzlich mehr Wärme als quecksilberbasierte Dampflampen, was höhere Anforderungen an die Wärmeableitung stellt. Durch ein aktives Wärmemanagement kann die LED-Einheit jedoch so konstruiert werden, dass die gesamte Lichtleistung an der Oberfläche abgegeben wird, während die entstehende Wärme über die Rückseite der LEDs abgeleitet wird. Dadurch wird keinerlei Wärme an das durchfließende Wasser abgegeben. Zudem sind UV-C-LED-Systeme ausgeschaltet, wenn kein Wasser fließt. Eine effektive Wärmeableitung ist entscheidend für die Langlebigkeit des UV-C-LED-Desinfektionssystems. Die Implementierung eines aktiven Wärmemanagements und die Überwachung der Wärmeentwicklung sind wesentliche Voraussetzungen für eine lange Lebensdauer der UV-C-LEDs.

Schwankungen der Wassertemperatur beeinflussen bei konventionellen UV-Lampen die Strahlungsleistung, was die Fähigkeit des Systems zur Erreichung der notwendigen UV-Dosis beeinträchtigen kann. Verschiedene Lampentypen reagieren unterschiedlich empfindlich auf Temperaturveränderungen. Die Leistung von UV-C-LEDs ist nicht temperaturabhängig, was eine konstante UV-Bestrahlung unabhängig von der Wassertemperatur ermöglicht.

UVC-LED-Systeme verursachen keine Erwärmung des durchfließenden Wassers. Sie garantieren eine konstante Bestrahlung des Wassers unabhängig von der Wassertemperatur. Es entstehen keine Ablagerungen in der UVC-LED-Desinfektionseinheit. Aufgrund dieser Temperatureigenschaften können UVC-LED-Systeme perfekt in Wasserkühler und Wasserspender integriert werden.

Verfügbarkeit verschiedener Wellenlängen

Die Wellenlänge der ultravioletten Ausstrahlung konventioneller UV-Lampen ist festgelegt. Aufgrund der weiten Verbreitung von quecksilberbasierten Niederdruckstrahlern wurde deren Wellenlänge von 254nm als ideal zur UV-C-Desinfektion angesehen. In Abhängigkeit vom jeweiligen Mikroorganismus erzeugen jedoch Wellenlängen zwischen 260 bis 270nm eine wesentlich bessere Desinfektionswirkung.

Im Gegensatz dazu können monochromatische UV-C-LEDs in einer Vielzahl verschiedener Wellenlängen hergestellt werden. Dies ermöglicht eine präzise Abstimmung auf die UV-Sensitivität des zu neutralisierenden Mikroorganismus (z.B. 255nm, 265nm, 275nm). So kann die maximale Desinfektionswirkung zur Neutralisation eines bestimmten Organismus im Wasser (z.B. Legionellen) erzielt werden. Neben der Wahl der Wellenlänge sind weitere Faktoren wichtig für die Konfiguration eines optimalen Desinfektionssystems:

• Kosten der UV-C-LED: Trotz der großen Fortschritte in der Herstellung und der mit den steigenden Produktionsmengen verbundenen stetigen Preissenkungen, sind die Kosten einer UV-C-LED wesentlich von der benötigten Wellenlänge abhängig.
  
  
• Lebensdauer der UV-C-LED: Branchenführende UV-C-LED-Systeme haben eine Lebensdauer von 10.000 Betriebsstunden. Die Lebensdauer einer LED wird mit dem L70-Wert gemessen. Dieser Wert gibt an, wie lange es dauert, bis die Leuchtkraft der LED auf 70% der ursprünglichen Leuchtkraft gesunken ist. Im Gegensatz zu konventionellen Leuchtmitteln erlischt eine LED nicht schlagartig, sondern deren Leuchtkraft sinkt kontinuierlich. Es gibt jedoch große Schwankungen zwischen den Spezifikationen der LED-Hersteller in Bezug auf die Lebensdauer bei verschiedenen Wellenlängenwerten.
  
  
• UV-Strahlungsleistung: Die Strahlungsleistung variiert je nach Wellenlänge. Branchenführende Systeme erzeugen eine Strahlungsleistung von 100 mW.
  
  
• Zielorganismus: Mikroorganismen haben grundsätzlich unterschiedliche spektrale Empfindlichkeiten für verschiedene UV-Wellenlängen. In Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung muss die Wellenlänge auf den zu neutralisierenden Organismus abgestimmt werden.
  
  
• UV-Durchlässigkeit: Die UV-Durchlässigkeit einer Flüssigkeit ist ein kritischer Parameter zu Dimensionierung eines UVC-Desinfektionssystems. Die jeweiligen Eigenschaften des zu bestrahlenden Wassers bedingen verschiedene Durchlässigkeitswerte der ultravioletten Strahlung. Somit ergeben sich auch verschiedenste Absorptionseigenschaften, welche bei der Konfiguration des jeweiligen UV-Systems bedacht werden müssen.

Die effektivste Lösung ergibt sich immer aus der Abstimmung aller Faktoren auf die jeweilige Anwendung. Die Wahl der Wellenlänge mit der höchsten Desinfektionswirkung muss nicht immer optimal für die Leistung des Gesamtsystems sein. AQUISENSE verfügt über umfassendes Wissen in der Entwicklung und Herstellung von UV-C-LED-Desinfektionssystemen und kann daher unter Berücksichtigung aller Faktoren die jeweils besten Lösungen anbieten.

Die Möglichkeit, eine bestimmte Wellenlänge einer UV-C-LED zu wählen, ermöglicht die Erreichung des maximalen Absorptionsspektrums eines jeweiligen Zielorganismus. Derzeit wird in der Forschung an veränderbaren UV-C-Wellenlängen zur Breitband-Inaktivierung verschiedener Organismen gearbeitet. Ziel ist es, UV-C-Desinfektionslösungen zu entwickeln, die im Betrieb die UVC-Wellenlängen verändern können. Zur Durchführung verschiedener Tests bietet AQUISENSE das Produkt PearlLab Beam™ an, mit dem die Wirkung verschiedener Wellenlängen im Labor getestet werden kann.