Jak działają lampy bakteriobójcze UVC do sterylizacji i dezynfekcji?

Promieniowanie ultrafioletowe (UV) znane jest ludzkości od ponad dwustu lat, a od ponad stu znane są jej jego właściwości sterylizujące i bakteriobójcze. Nic dziwnego więc, że z czasem postanowiono te właściwości wykorzystać do wyjaławiania powierzchni obiektów, powietrza czy wody.

Dziś lampy sterylizujące UV znajdziemy w wielu branżach przemysłu: od służby zdrowia, przez uzdatnianie wody aż po zapewnienie sterylnych warunków produkcji w branży spożywczej. Skąd się bierze ich skuteczność? Jak działają takie lampy? Zapraszamy do artykułu.

Promieniowanie ultrafioletowe – czyli jakie?

Promieniowanie ultrafioletowe jest typem promieniowania elektromagnetycznego obecnego w spektrum światła słonecznego.

Cechuje je długość fali o zakresie od 10 do 400 nm, a więc mniejszym niż światła widzialnego, ale większym od promieniowania rentgenowskiego. Fale elektromagnetyczne o częstotliwościach w granicach 400 nm są widziane przez oko ludzkie, jako kolor fioletowy; dlatego promieniowanie UV, którego zakres jest mniejszy niż 400 nm jest też nazywane promieniowaniem nadfioletowym.

Obecnie, wg standardu ISO-21348 promienie UV dzieli się na podgrupy promieniowania o różnej długości fali i podgrupy o charakterystycznych właściwościach oddziałujących na organizmy żywe.

Na potrzeby spektroskopii wyróżnia się promieniowanie:

• skrajne (10-121 nm),
• dalekie (122-200 nm),
• pośrednie (200-300 nm)
• bliskie (300-400 nm).

Z kolei pod względem wywierania wpływu na organizmy żywe promienie UV dzieli się na promieniowanie:

• UV-A (315-380 nm),
• UV-B (280-315 nm)
• UV-C (100-280 nm).

Wszystkie trzy typy ultrafioletu: UVA, UVB i UVC, są emitowane przez Słońce. Promieniowanie UV-C i UV-B jest jednak filtrowane i pochłaniane przez powłokę ozonową atmosfery, do Ziemi więc w praktyce nie dociera (jedynie część spektrum UV-B, która u ludzi powoduje wytrącanie się melatoniny i opaleniznę).

• UV-A (315-400 nm) – najdłuższe fale promieniowania UV; UV typu A jest mniej szkodliwe niż UV-B i UV-C, choć przy długiej ekspozycji uszkadza włókna kolagenowe i przyspiesza procesy starzenia się skóry; może być też przyczyną raka skóry i działać niekorzystnie na wzrok (zmętnienie soczewki czyli tzw. zaćma fotochemiczna).

• UV-B (280-315 nm) – średnie fale promieniowania UV; UV typu B również nie stanowi bezpośredniego zagrożenia dla organizmów żywych; w organizmie człowieka i zwierząt powoduje wytwarzanie niezbędnej witaminy D; długotrwała ekspozycja na ten typ promieniowania może mieć wpływ na wystąpienie czerniaka (nowotworu złośliwego skóry).

• UV-C (100-280 nm) – fale promieniowania UV o krótkiej częstotliwości i największej energii; UV typu C jest zabójcze dla żywych komórek – zniszczeniu ulegają kwasy nukleinowe oraz białka, w wyniku czego dochodzi do zniszczenia komórek mikroorganizmów; sztuczne promieniowanie UV-C jest emitowane przez specjalistyczne promienniki, które stosowane są w lampach bakteriobójczych do dezynfekcji i wyjaławiania pomieszczeń i wody czy opakowań spożywczych.

Promieniowanie UV-C jest bardzo skuteczne wobec bakterii, drożdży, wirusów, pleśni, ale również bardzo niebezpieczne dla zdrowia człowieka czy zwierząt. Należy pamiętać, aby nie narażać organizmów żywych na bezpośrednie działanie tego promieniowania.

Ciekawostka:

Na jednym z amerykańskich uniwersytetów Columbia University, prof. David Brenner ze swoim zespołem od kilku lat bada dalekie promieniowanie UVC o długości fali ok. 220 nm. Wyniki przeprowadzonych badań są bardzo obiecujące. Światło o długości fali 220 nm nie przenika nawet przez martwe komórki na powierzchni skóry człowieka ani warstwę łez na powierzchni oczu. Ma jednak wystarczającą „moc”, aby „zabić” bakterie i wirusy. Ogólny pomysł to wykorzystanie takich lamp dalekiego UVC (ok. 220 nm) w tradycyjnych oprawach oświetleniowych, a ponieważ miałyby nie uszkadzać żywych komórek w ciele człowieka, mogłyby być stosowane w dużych skupiskach ludzi, np. na lotniskach, dworcach czy nawet w szkołach. Badania trwają.

Ważna informacja! W internecie spotkałem się z „wybiórczymi” informacjami na temat promieniowania UVC, a nawet stwierdzeniami, że w małych dawkach jest lecznicze. Na pewno nie dotyczy to lamp z konwencjonalnym bakteriobójczym światłem ultrafioletowym (promienniki emitujące UVC o długości fali ~254 nm); stanowi ono zagrożenie dla organizmów żywych – może powodować raka skóry czy problemy ze wzrokiem. Nie należy używać pojęcia „światło UV” do wszystkich rodzajów lamp emitujących to promieniowanie! Konwencjonalne UV-C (ok. 254 nm) jest dla nas szkodliwe! Należy o tym pamiętać!

Jaki wpływ ma promieniowanie UV na organizmy żywe?

Nie każde promieniowanie UV jednakowo działa na żywe organizmy.

Każdy, kto spędził w słońcu zbyt dużo czasu, doświadczył nadmiernej ekspozycji na promieniowanie UV. Prawie każdy też pewnie wie, że podczas procesu spawania należy chronić oczy, a to ze względu na łuk elektryczny emitujący właśnie promieniowanie ultrafioletowe – może ono u obserwatora wywoływać tzw. ślepotę śnieżną, zaćmę, skrzydlika i tłuszczyk. Na powierzchni skóry promieniowanie powoduje również poparzenia, jest więc szkodliwe dla ludzkiego zdrowia; jednocześnie silnie oddziałuje na organizmy żywe w ogóle. W jaki sposób?

Promieniowanie UV oddziałuje fotochemicznie na łańcuch DNA danego organizmu.

Promienie UV typu C emitowane przez Słońce nie docierają do Ziemi, ale takie promieniowanie można wywołać sztucznie przez specjalne promienniki UVC. Promienie UV-C rozrywają wiązania łańcuchów DNA, RNA i w ten sposób nie pozwalają na namnażanie się mikroorganizmów, m.in. bakterii, grzybów, pleśni, glonów, a nawet wirusów. Należy pamiętać, że działają w ten sposób jednak nie tylko na w/w mikroorganizmy, ale też na ludzi i zwierzęta.

W przypadku mikroorganizmów skutkuje to wstrzymaniem ich zdolności do replikacji, a więc i utratą zdolności do podziału i w efekcie – systematyczne wyniszczenie całej kolonii drobnoustrojów. Dzięki ekspozycji na promienie UVC unika się ich namnażania w niekontrolowany sposób. Działanie to, odkryte i opisane w 1878 roku przez Thomasa Blunta i Arthura Downes’a doprowadziło do rozpowszechnienia opisanej metody i zastosowania jej do sterylizacji w lecznictwie oraz wykorzystania przy uzdatnianiu wody. Do powyższych celów stosuje się promieniowanie UV-C, które w zakresie długości fali ~260-270 nm ma najsilniejsze działanie mutagenne. Skuteczność działania zależna jest m.in. od czasu ekspozycji drobnoustrojów na działanie promieniowania. Metoda ta została udokumentowana wieloma badaniami, a skuteczność urządzeń do dezynfekcji UVC osiąga 99,9% w warunkach laboratoryjnych.

Lampy UVC do dezynfekcji

Z biegiem czasu pojawiało się coraz więcej obszarów, w których zastosowanie miały (i mają do dziś) lampy bakteriobójcze. Obecnie wykorzystywane są w procesach sterylizacji i dezynfekcji w wielu dziedzinach życia.

Gdzie można stosować lampy bakteriobójcze UV-C?

Dezynfekcję promieniami UV-C można obecnie stosować w wielu miejscach: do oczyszczania powietrza, powierzchni produkcyjnych, opakowań czy wody. Typ lampy określa rodzaj jej zastosowania – innych lamp używa się do sterylizacji powierzchni, innych do powietrza, jeszcze innych zaś – w lampach do uzdatniania wody.

W czasach pandemii coraz więcej osób wykorzystuje też to promieniowanie na własne prywatne potrzeby. Chociażby do dezynfekcji pomieszczeń w hotelu czy domu, ale też ubrań, gotówki czy opakowań z produktami przyniesionymi ze sklepu.

W połowie maja 2020 Międzynarodowa Komisja Oświetleniowa CIE opublikowała oświadczenie dotyczące stanowiska w sprawie promieniowania nadfioletowego (UV) jako środka ograniczającego ryzyko rozprzestrzeniania się COVID-19. Komisja CIE potwierdziła tam, że bakteriobójcze promieniowanie UV (GUV) jest ważnym środkiem interwencji środowiskowej mogącym zmniejszyć zarówno kontaktowe, jak i powietrzne rozprzestrzenianie się czynników zakaźnych (takich jak bakterie i wirusy), w tym wirusa SARS-CoV-2, odpowiedzialnego za powstawanie choroby zakaźnej COVID-19.

Źródło promieniowania UVC w lampie bakteriobójczej

Źródłem promieniowania w lampach bakteriobójczych jest promiennik UV-C. Zamontowany najczęściej w szczelnej obudowie zapewniającej mu ochronę przed zniszczeniem i osadzaniem się na powierzchni filmu z zanieczyszczeń, które obniżają wydajność danej lampy. Reszta konstrukcji dopasowana jest już do jej konkretnego zastosowania. Trzeba jednak pamiętać, że promieniowanie UV-C rozrywa wiązania chemiczne, więc nie każdy materiał znajdzie zastosowanie przy budowie lamp sterylizujących. Nie wszystkie elementy z tworzywa sztucznego zastosowane w konwencjonalnych oprawach oświetleniowych są odporne na promieniowanie UV; w niektórych lampach powinny być odizolowane od bezpośredniego kontaktu z promieniowaniem; na przykład przy pomocy przymocowanej folii aluminiowej lub z innego metalu. Promieniowanie ma również degradujący wpływ na gumę i wyroby kauczukopodobne; te elementy (np. uszczelki) również powinny w konstrukcji lampy być ekranowane lub zabezpieczone w inny sposób.

Rodzaje lamp sterylizujących UV

Lampy bakteriobójcze / sterylizacyjne występują w trzech typach:

– do bezpośredniego naświetlania – najbardziej zagrażają człowiekowi, bo świetlówka UV-C jest w nich odsłonięta; muszą więc pracować w pomieszczeniach bez obecności człowieka; mogą też wytwarzać ozon

– lampy przepływowe – do sterylizacji powietrza i wody: promiennik zamknięty jest w obudowie, przez którą przepływa powietrze / woda oczyszczone najpierw mechanicznie przez zestaw filtrów

– lampy dwufunkcyjne – pracują jednocześnie w trybie przepływowym i naświetlającym (posiadają dodatkowy promiennik).

Konkretne rodzaje i budowę lamp bakteriobójczych przybliżę w następnym artykule.

Promienniki UVC – budowa i działanie

Nadmieniałem już, że promieniowanie UV-C emitowane przez Słońce nie dociera do Ziemi. Do jego wytworzenia potrzebne są sztuczne źródła tego promieniowania, czyli promienniki UV-C. Stosuje się je w urządzeniach w bardzo wielu dziedzinach życia. Są to np. sterylizatory powietrza, pompy uzdatniające wodę pitną oraz w ogródkowych zbiornikach wodnych, czy urządzenia sterylizujące instrumenty medyczne, laboratoryjne i kosmetyczne. Ale też urządzenia w przemyśle spożywczym, gastronomii (m.in. sterylizacja jaj) czy hotelarstwie itd.

Jak wygląda i jak działa promiennik nadfioletu (UV-C)?

Promienniki UV-C mają postać niskociśnieniowych świetlówek fluorescencyjnych. Z wyglądu mogą przypominać świetlówki T5, T8 czy świetlówki kompaktowe np. G23 czy 2G11, jednak nie są pokryte luminoforem jak tradycyjna świetlówka – są po prostu przezroczyste. Do ich produkcji stosuje się również specjalne szkło. Szklana rurka wypełniona jest mieszaniną gazów szlachetnych (głównie argon) i par rtęci oraz halogenów.

Do prawidłowego działania promiennika niezbędny jest statecznik, dobrany odpowiednio do prądu lampy. Promiennik powinien być też umieszczony w oprawce odpowiedniej do trzonka promiennika (np. G5, G13, G23, 2G11, 2G7, 4P-SE). Poprzez podłączenie (jedno- lub dwustronnie trzonkowe) do prądu w lampie rozpoczyna się reakcja fotochemiczna skutkująca serią wyładowań, dzięki którym lampa emituje promieniowanie UV-C.

Skuteczność promiennika podnosi też ciągłość jego użytkowania – bez zbędnych włączeń i wyłączeń. Każdorazowe wyłączenie zasilania obniża jego trwałość. Według najbardziej uznanych producentów – firm Philips i Osram – żywotność i skuteczność działania takich promienników to 8-9 tysięcy godzin pracy. Po upływie tego czasu należy promiennik zastąpić nowym, bo mimo tego, że wciąż świeci – nie spełnia już swojego zadania.

Bezwzględnie należy przestrzegać zasad bezpieczeństwa w użytkowaniu lamp z promiennikami UVC. Promieniowanie UVC jest szkodliwe dla wzroku i skóry organizmów żywych! Należy stosować je w specjalnie do tego przeznaczonych lampach bakteriobójczych. Jeśli żarniki UV-C używane są w lampach otwartych (nieosłoniętych), nie można przebywać w pobliżu takiej lampy!