Eine Excimer-Lampe soll weit reichen

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 381 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Esstische können durch die Übertragung von Bakterien und/oder Viren eine Gefahr für die Gäste darstellen. Derzeit mangelt es an einer umweltfreundlichen und bequemen Möglichkeit, die Gäste beim Zusammensitzen zu schützen. Im Rahmen dieser Untersuchung wurden Fern-UVC-Excimerlampen zur Desinfektion von Esstischoberflächen entwickelt. Die Lampen wurden in unterschiedlichen Höhen und Ausrichtungen montiert und die Bestrahlungsstärke auf Tischoberflächen gemessen. Die Bestrahlungsdosen zur Erzielung unterschiedlicher Inaktivierungseffizienzen für Escherichia coli (E. coli) wurden angegeben. Darüber hinaus wurde eine numerische Modellierung der Bestrahlungsstärke und der daraus resultierenden Inaktivierungseffizienz durchgeführt. Das Surface-to-Surface (S2S)-Modell wurde mit der gemessenen Bestrahlungsstärke validiert. Bewertet wurden die keimtötende Wirkung der Fern-UVC-Bestrahlung, die Fern-UVC-Dosen, denen die Gäste ausgesetzt waren, und das Risiko einer Exposition gegenüber dem erzeugten Ozon. Die Ergebnisse zeigten, dass eine Bestrahlungsdosis von 12,8 mJ/cm2 99,9 % der E. coli auf Oberflächen desinfizieren kann. Durch Variation der Lampenbestrahlungsstärke, der Anzahl und der Positionen der Lampen kann die Fern-UVC-Bestrahlung bei einer Essensdauer von 5 Minuten um 3 Logarithmen reduziert werden. Darüber hinaus birgt die Fern-UVC-Lampe bei Erreichen einer effektiven Inaktivierungsrate ein geringes Schadensrisiko für den Gast. Darüber hinaus besteht in einem mechanisch belüfteten Speisesaal praktisch kein Risiko einer Ozonbelastung.

Esstische können leicht durch Mikroben kontaminiert werden1,2. Mikroben auf Esstischoberflächen können entweder Bakterien oder Viren sein3,4. Die Bakterien können auf Esstischoberflächen übertragen werden, indem (1) Tische mit verunreinigten Lappen und Schwämmen abgewischt werden, (2) sich Mikroorganismen in der Luft ablagern und (3) mit verunreinigten Lebensmitteln in Berührung kommen5,6,7. Bakterien auf Esstischoberflächen können Stunden oder sogar Wochen überleben8. Die Viren können sich mit den von infizierten Gästen freigesetzten Tröpfchen auf Esstischen niederlassen9. Selbst wenn das Virus von der Wirtszelle getrennt wird, kann es unter geeigneten Bedingungen 2–7 Tage lang auf Esstischoberflächen am Leben bleiben4. Die Desinfektion von Mikroben auf Esstischen kann eine wirksame Möglichkeit sein, die daraus resultierende Infektion des Menschen über den Kontaktweg mit der Oberfläche zu minimieren.

Um Mikroben auf Oberflächen abzutöten, werden seit langem chemische Desinfektionsmittel eingesetzt. Zu den Desinfektionsmitteln für den Esstisch gehören chlorierte Lösungsmittel, Ethylalkohol, Peressigsäure und quaternäre Ammoniumsalzlösungsmittel10 usw. Diese Desinfektionsmittel inaktivieren Mikroben entweder durch Denaturierung der biologischen Proteine durch Oxidation oder durch Beschleunigung des Wasserverlusts aus biologischen Körpern unter der Kraft der Oberflächenspannung11,12 . Chemische Desinfektionsmittel sind sehr wirksam bei der Abtötung der überwiegenden Mehrheit der Mikroben13. Allerdings sind die meisten chemischen Desinfektionsmittel nicht umweltfreundlich. Noch wichtiger ist, dass chemische Desinfektionsmittel schädlich für die menschliche Gesundheit sein können, wenn die Exposition die zulässige Obergrenze überschreitet. Die gemeldeten Atemwegs- und Hautsymptome aufgrund einer übermäßigen Belastung durch restliche chlorierte Desinfektionsmittel während der Ebola-Epidemie im Jahr 2014 unterstreichen die Mängel der chemischen Desinfektion14. Daher sollte die chemische Desinfektion auf Esstischen mit Vorsicht angewendet werden.

Ultraviolette C-Strahlung (UVC) ist ebenfalls sehr wirksam bei der Inaktivierung von Mikroben15, und es entstehen keine Rückstände auf Oberflächen. Das herkömmliche UVC mit einer Wellenlänge von 254 nm wird üblicherweise durch einen Lichtbogen durch verdampftes Quecksilber erzeugt. Die emittierten Photonen können tief in mikrobielle Körper eindringen und entweder Ribonukleinsäure (RNA) oder Desoxyribonukleinsäure (DNA) zerstören16. Dadurch wird sowohl die Replikation als auch die Proliferation der bestrahlten Mikroben verhindert. Allerdings kann UVC254nm nicht sicher zur Bestrahlung des menschlichen Körpers verwendet werden. Konjunktivitis, Erythem und sogar Hautkrebs können durch übermäßige UVC254nm-Exposition entstehen17. Daher kann die UVC254nm-Desinfektion während des Essens verboten sein.

In den letzten Jahren hat Fern-UVC mit Wellenlängen von 207 bis 222 nm große Aufmerksamkeit erhalten18. Ferne UVC-Strahlen können durch eine Excimerlampe erzeugt werden, in deren Inneren das Edelgas durch eine Hochspannung ionisiert wird. Far-UVC hat Berichten zufolge eine ähnliche keimtötende Wirkung auf Bakterienzellen und Viren und tötet bakterielle Endosporen wirksamer ab als UVC254 nm19. Insbesondere ist die Eindringtiefe ferner UVC-Strahlen in menschliche Zellen sehr begrenzt, da die emittierten Photonen vorzugsweise vom Hornhaut absorbiert und dann von zytoplasmatischen Proteinen assimiliert werden20. Dadurch wird verhindert, dass die hochenergetischen Photonen in den Kern eindringen. Daher scheint Fern-UVC zur Desinfektion in Anwesenheit von Menschen geeignet zu sein.

Die Ionisierung für ferne UVC-Strahlen kann Sauerstoffatome in der Luft rekombinieren und Ozon erzeugen. Die Ozonemissionsraten von Excimer-Lampen (für Fern-UVC) sind viel niedriger als die von herkömmlichen Quecksilberlampen (hauptsächlich für UVC254 nm) bei gleicher Eingangsleistung. Allerdings kann die Ozonkonzentration in Innenräumen dennoch schnell ansteigen, wenn Excimer-Lampen in einem Esszimmer mit begrenztem Volumen und unzureichender Belüftung verwendet werden. Eine langfristige Exposition gegenüber hohen Ozonkonzentrationen kann zahlreiche gesundheitsschädliche Auswirkungen haben21. Daher muss auch die mögliche Ozonbelastung bei der Anwendung von Fern-UVC-Bestrahlung zur Desinfektion bewertet werden.

Die obige Überprüfung ergab, dass sich Fern-UVC bei der Desinfektion häufig berührter Oberflächen gegenüber chemischen Desinfektionsmitteln und herkömmlichem UVC254 nm durchsetzen kann. Kontaminierte Esstische können zur Übertragung von Mikroben beitragen. Bislang fehlt eine umweltfreundliche und komfortable Möglichkeit, die Gäste beim gemeinsamen Sitzen dauerhaft zu schützen. Im Rahmen dieser Untersuchung wurden sowohl Experimente als auch numerische Modellierungen durchgeführt, um diese Wissenslücke zu schließen.

In diesem Abschnitt werden die keimtötende Wirkung der Fern-UVC-Bestrahlung, die Fern-UVC-Dosen, denen die Gäste ausgesetzt sind, und das mögliche Risiko einer Exposition gegenüber dem damit verbundenen Ozon vorgestellt.

Abbildung 1 zeigt die konstruierte Fern-UVC-Lampe zur Desinfektion von Esstischen, modifiziert aus einer marktüblichen Schreibtischlampe, indem die vorhandene Lampe zur Beleuchtung durch die Excimer-Lampe (Eden Park, USA) ersetzt wurde. Die Variation der Bestrahlungsstärke der Tischoberfläche mit dem Einfallswinkel und der Einfallsentfernung ist in Abb. 2 dargestellt. Wenn die Einfallsentfernung auf einem konstanten Wert von 5 cm gehalten wurde, zeigte die Bestrahlungsstärke ein Abklingmuster mit dem Einfallswinkel, wie in Abb. gezeigt. 2b. Die Bestrahlungsstärke erreichte ihren Höhepunkt bei der vertikalen Bestrahlung und sank auf 0,17 mW/cm2, 0,19 mW/cm2, 0,05 mW/cm2 und 0,03 mW/cm2, wenn die Einfallswinkel auf 22°, 39°, 50° und 58° erhöht wurden ° bzw. gemäß dem Lambertschen Gesetz. Wenn der Einfallswinkel bei 0° gehalten wurde, nahm die Bestrahlungsstärke mit der Einfallsentfernung ab, wie in Abb. 2c dargestellt. Die Bestrahlungsstärke betrug 0,21 mW/cm2 bei einem Einfallsabstand von 5 cm und verringerte sich auf 0,06 mW/cm2, 0,03 mW/cm2 und 0,02 mW/cm2, wenn der Einfallsabstand auf 10 cm, 15 cm bzw. 20 cm vergrößert wurde , entsprechend der Variation des Sichtfaktors. Das Oberfläche-zu-Oberfläche-Modell (S2S)22 hat nicht nur die Variation der Bestrahlungsstärke mit der Einfallsentfernung und dem Einfallswinkel erfolgreich vorhergesagt, sondern auch eine relative Abweichung von weniger als 15 % im Vergleich zur Messung erhalten, was darauf hinweist, dass die numerische Modellierung sehr genau war .

Eine Fern-UVC-Lampe zur Desinfektion von Esstischen: (a) Foto des äußeren Erscheinungsbilds; (b) Diagramm des Aufbaus und Foto einer Excimer-Lampe.

Vergleich zwischen der vorhergesagten und gemessenen Bestrahlungsstärke auf der Esstischoberfläche: (a) Schematische Darstellung der Probenahmepositionen für Fern-UVC-Bestrahlungsstärke; (b) Bestrahlungsstärke im Verhältnis zum Einfallswinkel; (c) Bestrahlungsstärke im Verhältnis zur Einfallsentfernung.

Escherichia coli (E. coli) wurden mit der Fern-UVC-Lampe bestrahlt und die Anzahl lebender E. coli bei verschiedenen Bestrahlungsdosen gemessen. Am Beispiel einer Bestrahlungsdosis von 1 mJ/cm2 sind die lebenden E. coli vor und nach der Desinfektion in Abb. 3 dargestellt. Vor der Fern-UVC-Bestrahlung waren reichlich E. coli vorhanden, wie in Abb. 3a dargestellt. Nach der Bestrahlung waren 92,3 % der E. coli inaktiviert und nur ein kleiner Prozentsatz war noch am Leben, wie in Abb. 3b dargestellt. In der Testprobe, die nicht mit E. coli inokuliert worden war, wurde kein Mikroorganismus gefunden, wie in Abb. 3c gezeigt, was darauf hinweist, dass die Proben nicht verunreinigt waren. Die Ergebnisse zeigen, dass Fern-UVC eine gute Wirkung bei der Reduzierung von E. coli hat.

Gezählte lebende E. coli unter einer Bestrahlungsdosis von 1 mJ/cm2 mit der Gießplattenmethode: (a) die Probe mit dem inokulierten E. coli vor der Fern-UVC-Bestrahlung; (b) die Probe mit dem inokulierten E. coli nach der Bestrahlung; (c) die Probe ohne Beimpfung.

Wie in Abb. 4 dargestellt, nahm die logarithmische Reduktion von E. coli im Allgemeinen mit der Bestrahlungsdosis zu. Unter Bestrahlungsdosen von 1 mJ/cm2, 3 mJ/cm2, 6 mJ/cm2, 12 mJ/cm2 und 24 mJ/cm2 betrugen die logarithmischen Reduktionen 1,37, 1,74, 2,44, 2,96 bzw. 3,67. Die logarithmische Reduktion nimmt mit der Bestrahlungsdosis exponentiell zu, basierend auf Homs Modell23. Wenn eine Inaktivierungseffizienz von mindestens 3 log angestrebt wird, sollte die erforderliche Bestrahlungsdosis mindestens 12,8 mJ/cm2 betragen.

Zusammenhang zwischen Inaktivierungseffizienz und Bestrahlungsdosis für E. coli.

Abbildung 5 zeigt die acht typischen Essenssituationen. Unter diesen wurde Strategie (e) mit „einer Lampe für vier Gäste“ abgelehnt, da eine Inaktivierungseffizienz von 3-Log mit einer Bestrahlungsstärke der Lampenoberfläche von weniger als 100 mW/cm2 nicht erreicht werden konnte. Die aktuelle Excimer-Lampe kann eine maximale Oberflächenbestrahlungsstärke von bis zu 100 mW/cm2 liefern. Dieser Befund legt nahe, dass eine einzelne Lampe bei einem Einfallsabstand von 25 cm nicht ausreichte, um die gesamte Esstischoberfläche zu desinfizieren.

Erforderliche Anzahl und mögliche Positionen von Fern-UVC-Lampen für typische Essenssituationen: (a) eine Lampe für einen einzelnen Gast; (b) zwei Lampen für zwei einander gegenübersitzende Gäste; (c) zwei Lampen für zwei auf derselben Seite sitzende Gäste; (d) drei Lampen für drei Gäste; (e) eine Lampe für vier Gäste; (f) zwei Lampen für vier Gäste; (g) drei Lampen für vier Gäste; und (h) vier Lampen für vier Gäste.

Abbildung 6 zeigt die modellierte Verteilung der Inaktivierungseffizienz auf Tischen mit einer Essensdauer von 5 Minuten. Insbesondere variierte die erforderliche Bestrahlungsstärke der Lampenoberfläche je nach Situation. Tabelle 1 zeigt die minimal erforderliche Bestrahlungsstärke der Lampenoberfläche, um im Essbereich eine Inaktivierungseffizienz von mindestens 3 log zu erreichen. Die Inaktivierungseffizienz erreichte unter den Lampen maximale Werte und nahm mit zunehmendem Abstand von der Lampe ab. Für die Situation mit einer einzelnen Lampe wurden die Isolinien der Inaktivierungseffizienz kreisförmig auf der Esstischoberfläche verteilt, wie in Abb. 6a dargestellt. Bei Verwendung einer größeren Anzahl von Lampen würde der Überlappungsbereich eine höhere Inaktivierungseffizienz aufweisen, wie in Abb. 6b – d und Abb. 6f – h dargestellt.

Numerisch modellierte Inaktivierungseffizienzverteilung für verschiedene Essenssituationen: (a) eine Lampe für einen einzelnen Gast; (b) zwei Lampen für zwei einander gegenübersitzende Gäste; (c) zwei Lampen für zwei auf derselben Seite sitzende Gäste; (d) drei Lampen für drei Gäste; (f) zwei Lampen für vier Gäste; (g) drei Lampen für vier Gäste; und (h) vier Lampen für vier Gäste.

Wie in Tabelle 1 gezeigt, war für einen Gast mit einer einzelnen Lampe eine Bestrahlungsstärke von mindestens 42 mW/cm2 an der Lampenoberfläche erforderlich, um eine Inaktivierungseffizienz von 3 Log für ein Viertel des Esstisches innerhalb von 5 Minuten sicherzustellen. Für zwei einander gegenübersitzende Gäste war eine Bestrahlungsstärke von mindestens 33 mW/cm2 für jede Lampe erforderlich. Dieser Wert war aufgrund der Überlappung der Bestrahlungsbereiche kleiner als der in Situation (a). Für zwei Gäste, die auf derselben Seite saßen, musste jede Lampe aufgrund der sehr begrenzten Überlappungszone einen bestimmten Essbereich beleuchten. Folglich war die erforderliche Bestrahlungsstärke identisch mit der in Situation (a). Unter dem Gesichtspunkt der Energieeinsparung wird für zwei Gäste empfohlen, sich gegenüberzusitzen. Die Situation „drei Lampen für drei Gäste“ war wie eine Kombination aus Situation (a) und Situation (b). Für die Situation mit vier Gästen, bei denen zwei, drei oder vier Lampen verwendet wurden, betrug die erforderliche Mindestbestrahlungsstärke für jede Lampe 90 mW/cm2, 48 mW/cm2 bzw. 30 mW/cm2. Wenn der Gesamtenergieaufwand eine Rolle spielt, sind vier Lampen vorzuziehen. Darüber hinaus bedeuten mehr Lampen eine größere Flexibilität für die Nutzer, erfordern aber auch eine höhere Anfangsinvestition.

Als Beispiel für die Analyse der Fern-UVC-Exposition der Gäste wurde die Essenssituation (f) ausgewählt, die die höchste Gesamtbestrahlungsstärke aufwies. Die Fern-UVC-Strahlung, die die Gäste innerhalb von 5 Minuten erhielten, ist in Abb. 7 dargestellt. Die Augen der Gäste wurden aufgrund der relativ geringen Höhe der Lampen und auch aufgrund des Schutzes durch den Lampenschirm überhaupt nicht bestrahlt. Die hohe Dosis der fernen UVC-Strahlung konzentrierte sich hauptsächlich auf den Bauchraum und erreichte einen Spitzenwert von 23 mJ/cm2. Die Fern-UVC-Exposition auf der menschlichen Oberfläche überschritt nicht den 8-Stunden-Tagesgrenzwert (TLV) von 23 mJ/cm2, der von der Internationalen Kommission zum Schutz vor nichtionisierender Strahlung (ICNIRP)24 vorgeschlagen wurde. Die Expositionsdosen für die anderen sechs Situationen wurden ebenfalls bewertet. In diesen Fällen war keines der Augen der Gäste fernem UVC ausgesetzt. Darüber hinaus lagen die maximalen Dosen, denen die menschlichen Oberflächen ausgesetzt waren, alle unter 20 mJ/cm2. Der Bauch ist üblicherweise von Kleidung bedeckt. Folglich wäre die empfangene Fern-UVC-Exposition niedriger als die oben analysierten Werte. Mittlerweile kann auch die Form des Lampenschirms optimiert werden, um die Strahlung auf menschlichen Oberflächen zu reduzieren.

Von Gästen empfangene Fern-UVC-Strahlungsdosis in der Situation „zwei Fern-UVC-Lampen für vier Gäste“.

Auch hier wurde Situation (f) für die Analyse der möglichen Ozonverschmutzung ausgewählt, da die höchste Gesamtoberflächenbestrahlungsstärke die größte Menge Ozon erzeugen könnte. Abbildung 8 zeigt die Ozonkonzentration in einer Ebene senkrecht zum Boden, die durch die beiden einander gegenüberstehenden Gäste hindurchgeht. Beim Einschalten der Fern-UVC-Lampen sammelte sich das emittierte Ozon im Lampenschirm, was zu einem Konzentrationsanstieg von 20 ppb führte. Mit der Konzentrationsanhäufung wurde das Ozon sowohl durch den Konzentrationsgradienten als auch durch den umgebenden Luftstrom aus dem Lampenschirm verteilt. Das aus dem Lampenschirm austretende Ozon wurde schnell verdünnt und dann aufgrund der guten Durchmischung durch das mechanische Belüftungssystem gleichmäßig im Speisesaal verteilt. Die durchschnittliche Ozonkonzentration im gesamten Raum betrug 1,2 ppb, rein bedingt durch das Einschalten der Fern-UVC-Lampen.

Erhöhte Ozonkonzentration nach dem Einschalten der Fern-UVC-Lampen: (a) Position der interessierenden Ebene zur Anzeige der Ozonkonzentration; (b) Konzentrationskontur auf dieser Ebene.

Abbildung 9 zeigt die erhöhte Ozonkonzentration in den Atemzonen der 16 Gäste. Unter den Gästen wies fast die Hälfte eine erhöhte Konzentration von nicht mehr als 0,5 ppb auf. Die maximalen und minimalen erhöhten Konzentrationen betrugen 2,8 ppb bzw. 0,3 ppb. Aufgrund des möglichen Ozonabbaus durch Spülbecken in Speisesälen wäre die resultierende Ozonkonzentration im praktischen Einsatz geringer. Die maximal zulässige Ozon-Expositionskonzentration für eine Stunde beträgt 0,16 mg/m3 (ca. 80 ppb)25. Der Einsatz von Fern-UVC-Lampen in Speisesälen führt daher nicht zu einer Ozonbelastung.

Statistische Verteilung der Anzahl der Gäste mit der erhöhten Ozonkonzentration in den Atemzonen unter den 16 Gästen.

Im Rahmen dieser Untersuchung wurde ein Labortest durchgeführt, um die keimtötende Wirkung der Fern-UVC-Bestrahlung zu untersuchen. E. coli wurde zur Messung manuell auf Edelstahlplatten freigesetzt. Die manuell freigesetzten E. coli hatten eine stabile Anfangskonzentration, was die Messung und den Vergleich erleichterte. Auch die E. coli auf kleinen Stücken von Edelstahlplatten könnten für die Inkubation und Zählung effizienter beprobt werden.

Auch in einer Mensa der Universität haben wir die Desinfektion auf Tischflächen gemessen. Allerdings variieren die erforderlichen Bestrahlungsdosen aufgrund der komplizierten, häufig vorkommenden Mikroorganismen und auch der Beeinträchtigung der Tischoberflächen durch Ölfilm und Fett stark und es ist äußerst schwierig, wiederholbare Ergebnisse zu erzielen. Alternativ haben wir zur Vereinfachung die reinen E. coli auf einem Tisch im Labor gemessen. Zukünftig wäre noch eine weitere Evaluierung der Fern-UVC-Lampen in einer realistischen Essumgebung erforderlich.

Obwohl wir die Inaktivierungseffizienz anhand der logarithmischen Reduktion von E. coli auf Tischoberflächen berichtet haben, soll die UVC-Bestrahlung auch in der Lage sein, einige in der Luft befindliche Mikroorganismen zu desinfizieren. Die weit verbreitete keimtötende Ultraviolettbestrahlung (UVGI) kann auch in der Luft befindliche Mikroorganismen inaktivieren26,27,28. Die Quantifizierung der Fern-UVC-Lampen zur Desinfektion luftgetragener Mikroorganismen bedarf weiterer Anstrengungen.

Die Bestrahlungsdosis zur Erzielung einer Inaktivierungseffizienz von 3-log variiert stark zwischen verschiedenen Mikroorganismen. Beispielsweise wurde berichtet, dass die Mindestbestrahlungsdosen zum Erreichen einer Inaktivierungseffizienz von 3-log für das Influenza-A-Virus, SARS-CoV-2 und Staphylococcus aureus 2,0 mJ/cm2, 3,7 mJ/cm2 und 12 mJ/cm2 betragen. bzw. 29,30,31. Beachten Sie, dass die Dosis von 2,0 mJ/cm2 für das Influenza-A-Virus eher zur Luftdesinfektion als zur Oberflächendesinfektion bestimmt war. Eine andere Untersuchung 32 berichtete, dass eine UVC-Dosis von 4,3 mJ/cm2 99,2 % des Influenzavirus H1N1 über ein Mikrofon desinfizierte. Daher kann die zur Desinfektion von E. coli verwendete Dosis von 12,8 mJ/cm2 auch die meisten infektiösen Krankheitserreger wirksam inaktivieren.

Auf Esstischoberflächen können Wasser- oder Ölfilme vorhanden sein, die von zum Abwischen der Tische verwendeten Lappen oder von Essensresten herrühren. Flüssigkeitsfilme und andere Verunreinigungen können die Inaktivierungseffizienz der UVC-Bestrahlung beeinträchtigen. Die Bestrahlungsdosis zur Erzielung einer Inaktivierungseffizienz von 3-log im destillierten Wasser betrug 15 mJ/cm2 und würde auf 30 mJ/cm2 ansteigen, wenn Verunreinigungen vorhanden wären31. Beide Bestrahlungsdosen waren höher als die von uns angegebenen 12,8 mJ/cm2 auf der Edelstahlplatte, obwohl in der Literaturstudie31 UVC254 nm verwendet wurde. Die Auswirkungen des Flüssigkeitsfilms für die Fern-UVC-Desinfektion auf tatsächliche Esstische verdienen eine weitere Untersuchung.

Zu den für die Herstellung von Esstischen verwendeten Materialien gehören neben Edelstahl Typ 304 auch Glas, Polyvinylchlorid (PVC), Holz und Stein. Diese Materialien haben eine abnehmende Rauheit: Stein > Holz > PVC > Edelstahl > Glas33. Die Oberflächenrauheit kann einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf die keimtötende Wirkung bei UVC-Bestrahlung haben. Es wurde berichtet, dass die Resistenz bakterieller Ersatzstoffe gegenüber Inaktivierung mit der Rauheit des Lebensmittelverpackungsmaterials zunahm33. Mikroorganismen auf einer rauen Oberfläche können eine geringere Strahlendosis erhalten als solche auf einer glatten Oberfläche. In weiteren Studien könnten Desinfektionstests an Tischen aus unterschiedlichen Materialien und mit unterschiedlichen Rauheitsgraden durchgeführt werden.

Wasserdampf kann UVC-Licht absorbieren. Folglich nimmt die UVC-Bestrahlungsstärke auf einer Oberfläche ab, wenn die Umgebungsluft eine höhere Luftfeuchtigkeit und damit eine höhere Konzentration an Wasserdampf enthält. Berichten zufolge verringerte sich die UVC254-nm-Bestrahlungsstärke um 0,9 %, wenn die relative Luftfeuchtigkeit von 20 auf 80 % anstieg34. Die Adsorption und Streuung der UVC-Strahlen durch Wassertropfen auf einer sehr kurzen Distanz von 25 cm kann nahezu vernachlässigt werden. Daher wird die keimtötende Leistung von Fern-UVC-Lampen in dieser Untersuchung nicht wesentlich durch Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit innerhalb einer kurzen Einfallsentfernung beeinflusst. Allerdings kann die Fern-UVC-Strahlung durch das erzeugte Ozon gedämpft werden35. Glücklicherweise hätte die niedrige Ozonkonzentration von etwa 20 ppb nur minimale Auswirkungen auf die Fern-UVC-Leistung.

Die Hände des Gastes können während des Essens einer fernen UVC-Strahlung ausgesetzt sein. Während einer Mahlzeit werden jedoch üblicherweise beide Hände bewegt und daher kann die empfangene UVC-Dosis je nach Geste variieren. Die Geometrie des Lampenschirms kann besser gestaltet werden, um die Strahlung auf die Tischoberfläche zu beschränken, jedoch nicht viel auf Hände, die höher als die Tischoberfläche sind. Die Untersuchung des Handexpositionsrisikos und kreative Methoden zur Minimierung der Handexposition bedürfen weiterer Forschung.

Im Rahmen dieser Untersuchung wurden sowohl Experimente als auch numerische Modelle durchgeführt, um die keimtötende Wirkung von Fern-UVC-Bestrahlung zu untersuchen, die Fern-UVC-Dosen zu bewerten, denen die Gäste ausgesetzt wären, und um das mögliche Risiko einer Exposition gegenüber dem damit verbundenen Ozon zu untersuchen. Basierend auf den erzielten Ergebnissen können folgende Schlussfolgerungen gezogen werden:

Eine Fern-UVC-Bestrahlungsdosis von 12,8 mJ/cm2 kann 99,9 % der E. coli auf Edelstahlplatten desinfizieren. Durch Variation der Lampenbestrahlungsstärke, Lampenanzahl und -position kann die Fern-UVC-Bestrahlung eine 3-Log-Inaktivierung für eine Speisedauer von 5 Minuten erreichen.

Die maximale Fern-UVC-Dosis, der der Gast ausgesetzt ist, findet sich im Bauchbereich. Die Fern-UVC-Lampe birgt ein geringes Schadensrisiko für die Gäste, da sie eine wirksame Inaktivierungsrate für die meisten infektiösen Krankheitserreger erreicht.

Die durchschnittliche Ozonkonzentration im gesamten Speisesaal betrug 1,2 ppb, rein bedingt durch das Einschalten der Fern-UVC-Lampen. Durch den Einsatz von Fern-UVC-Lampen in einem mechanisch belüfteten Speisesaal besteht keine Gefahr einer Ozonbelastung.

Wie in Abb. 1 dargestellt, umfassten die Komponenten der Fern-UVC-Lampe einen ausgewogenen Sockel, ein Netzteil, einen einziehbaren Rahmen, eine Excimer-Lampe und einen Lampenschirm. Die elektrische Nennleistung betrug 10 W. Das Edelstahlgestell konnte stufenlos von 0 bis 60 cm über einen Esstisch ausgezogen werden.

Die verwendete Excimer-Lampe hatte Abmessungen von 5,0 cm (Länge) × 5,0 cm (Breite) × 0,3 cm (Dicke). Die Lampe war eine monochromatische Lichtquelle und bestand aus mehrfach verschachtelten Anordnungen von Mikrokavitäten, die mit dem Edelgas KrCl gefüllt waren. Wenn die Lampe eingeschaltet ist, kann KrCl in Mikrokavitäten mit Spannung interagieren und UV-Licht mit Wellenlängen von 219 bis 222 nm und einem Spitzenwert von 221 nm abstrahlen36. Die Fern-UVC-Bestrahlungsstärke in der Nähe der Lampe wurde unter den Nennarbeitsbedingungen mit 1,5 mW/cm2 gemessen. Zur Bündelung der Strahlung wurde die Excimer-Lampe mit einem lichtdichten Lampenschirm abgedeckt. Der Lampenschirm wurde über einen Achsbaum auf einem ausziehbaren Rahmen montiert, sodass die Lampe je nach Wunsch des Benutzers um 360° gedreht werden konnte.

Die Bestrahlungsstärke ist ein entscheidender Faktor für die keimtötende Wirkung. Sie ist definiert als der auf eine Flächeneinheit pro Zeiteinheit projizierte Strahlungsfluss. In dieser Studie wurde ein echter Esstisch aus Edelstahl Typ 304 mit den Abmessungen 120 cm (Länge) × 60 cm (Breite) × 70 cm (Höhe) verwendet. Der Tisch bietet Platz für vier Gäste gleichzeitig. Die Fern-UVC-Bestrahlungsstärke wurde an verschiedenen Positionen auf der Tischoberfläche gemessen, wie in Abb. 2a dargestellt. Diese Positionen wurden mit „O-B1-B2-B3-B4“ bezeichnet und hatten Einfallswinkel von 0°, 22°, 39°, 50° bzw. 58°. Während des Tests wurde die Lampe in vier verschiedenen Höhen verankert, nämlich A1 bis A4, im Bereich von 5 bis 20 cm in Abständen von 5 cm. Das obige Design wurde verwendet, um die Bestrahlungsstärke unter verschiedenen Einfallswinkeln und Einfallsabständen zu untersuchen.

Die Fern-UVC-Bestrahlungsstärke wurde mit einem UVC-Lichtmessgerät (Typ: ILT2400; International Light Technologies, USA) mit einem Erfassungsbereich von 8 bis 4 mW/cm2 und einer Genauigkeit von ± 1 % gemessen. Um die Messunsicherheit zu minimieren, wurde die Fern-UVC-Bestrahlungsstärke an jeder Position fünfmal gemessen und der Durchschnittswert angegeben.

Neben der Bestrahlungsstärke wurde auch die Desinfektion eines Mikroorganismus gemessen. Die keimtötende Leistung der Fern-UVC-Bestrahlung kann anhand der Inaktivierungseffizienz34 quantitativ bewertet werden:

Dabei ist P die Inaktivierungseffizienz und N0 und N die Mikrobenkonzentrationen vor bzw. nach der Bestrahlung, KBE/ml. Die erzielte Inaktivierungseffizienz hängt eng mit der Bestrahlungsdosis als Integration der Bestrahlungsstärke über die Zeit zusammen.

Zur Bestimmung der Inaktivierungseffizienz müssen Proben der Mikroben entnommen werden, die vor und nach der Fern-UVC-Bestrahlung vorhanden sind. Als Testkeim wurde E. coli ausgewählt, da er häufig auf Esstischen vorkommt. In dieser Untersuchung wurde E. coli (ATCC 25.922) verwendet und von Haibo Biotechnology (Qingdao, China) erworben. Vor dem Test wurde eine E. coli-Suspension nach Standardverfahren hergestellt31. Anschließend wurden 20 μl der Suspension mit einer Pipette extrahiert und gleichmäßig auf ein Stück Edelstahlplatte vom Typ 304 mit den Abmessungen 1,00 cm (Länge) × 1,00 cm (Breite) × 0,05 cm (Dicke) gestreut. Die Edelstahlplatte mit E. coli wurde in einem Inkubator (Typ: SPX-70; Zhongji Environmental Protection Technology, China) 20 Minuten lang bei 35 °C getrocknet und dann unter die Fern-UVC-Lampe gestellt. Anschließend wurde die Edelstahlplatte in einem Glasröhrchen in 10 ml phosphatgepufferte Kochsalzlösung (PBS) getaucht. Das Glasröhrchen wurde 10 Minuten lang mit 5000 U/min/min zentrifugiert, um die E. coli von der Plattenoberfläche auf das PBS zu trennen. Das PBS mit E. coli wurde verdünnt und dann auf ein Soja-Agar-Medium, das Trypton enthielt, beimpft. Nach 24-stündiger Inkubation bei 35 °C wurde die Anzahl der lebenden E. coli-Kolonien auf der Edelstahlprobe gezählt.

Um die Genauigkeit sicherzustellen, wurden drei parallele Tests durchgeführt, nämlich die Versuchsgruppe, die Kontrollgruppe und die Blindgruppe, wie in Abb. 10 dargestellt. Die Abläufe der Kontrollgruppe stimmten mit denen der Versuchsgruppe überein, mit Ausnahme von Mangel an Fern-UVC-Strahlung. Die Kontroll- und Versuchsgruppen wurden so eingerichtet, dass sie die Konzentrationen von E. coli vor und nach der Fern-UVC-Bestrahlung ermitteln. Für die Blindgruppe wurden zunächst 20 μl PBS anstelle der E. coli-Suspension auf eine Edelstahlplatte übertragen, und die nachfolgenden Verfahren waren die gleichen wie für die Kontrollgruppe. Der Zweck des Blindgruppentests bestand darin, eine mögliche mikrobielle Kontamination während des Betriebs zu identifizieren.

Schematische Darstellung zur Messung der Inaktivierungseffizienz von E. coli mit drei parallelen Testgruppen.

Um die Inaktivierungseffizienzen bei verschiedenen Bestrahlungsdosen zu erhalten, wurden Fern-UVC-Dosen von 1 mJ/cm2, 3 mJ/cm2, 6 mJ/cm2, 12 mJ/cm2 und 24 mJ/cm2 erzeugt, die als Integral von berechnet wurden die örtliche Bestrahlungsstärke mit der Bestrahlungszeit. Die Tests wurden bei jeder Dosis fünfmal wiederholt. Somit wurden insgesamt 75 Tests durchgeführt.

Die Fern-UVC-Bestrahlung von Esstischoberflächen wurde mit dem S2S-Strahlungsmodell 22 gelöst, indem Absorption, Emission und Streuung der Strahlung im Medium vernachlässigt und nur „Oberfläche-zu-Oberfläche“-Strahlung zwischen festen Wänden37 beibehalten wurde. Der Strahlungsfluss, der eine bestimmte Oberfläche verlässt, besteht aus direkt emittierter und reflektierter Strahlung. Der Strahlungsfluss von der Oberfläche N wird wie folgt geschrieben:

wobei qout, N der Strahlungsfluss ist, der die Oberfläche verlässt, N, W/m2; εN ist der Emissionsgrad; σ ist die Stefan-Boltzmann-Konstante, 5,672 × 10−8 W/m2/K4; T ist die Oberflächentemperatur K; ρN ist das Reflexionsvermögen der Oberfläche N; und qin, N ist der aus der Umgebung auf die Oberfläche N einfallende Strahlungsfluss, W/m2.

Zur Modellvalidierung wurde davon ausgegangen, dass sich ein Esstisch zusammen mit der Fern-UVC-Lampe in einem geschlossenen Raum mit Abmessungen von 2,0 m (Länge) × 1,6 m (Breite) × 3,0 m (Höhe) befindet, ähnlich der Größe des Testraum. Es wurde davon ausgegangen, dass alle festen Wandoberflächen eine Temperatur von 25 °C haben, mit Ausnahme der Oberfläche der Fern-UVC-Lampe mit einer Oberflächenbestrahlungsstärke von 1,5 mW/m2. Für numerische Lösungen wurde die Software ANSYS-FLUENT eingesetzt. Im Lösungsbereich wurden insgesamt 1,5 Millionen ungleichmäßig verteilte tetraedrische Gitterzellen erzeugt, mit einer feineren Gittergröße von 4 mm in der Nähe des Esstisches und der Fern-UVC-Lampe. Mittlerweile erhöhte sich die Gittergröße in anderen Regionen schrittweise auf 50 mm mit einer Wachstumsrate von 1,2. Die Sichtfaktoren im S2S-Modell und die Energiegleichungen wurden durch das Upwind-Schema zweiter Ordnung diskretisiert. Die Iteration wurde bei jedem Zeitschritt fortgesetzt, bis das Konvergenzkriterium von 10−5 für das relative Residuum erreicht wurde. Die aus der numerischen Modellierung erhaltene Bestrahlungsstärke wurde mit derjenigen aus der Messung verglichen.

Der Einfachheit halber wurde ein Bereich mit den Abmessungen 4,0 m (Länge) × 3,2 m (Breite) × 3,0 m (Höhe) betrachtet, der vier Esstische und 16 erwachsene Gäste enthielt, wie in Abb. 11 dargestellt. Dieser Bereich stellt einen Schnittteil von a dar großer Speisesaal, wie man ihn an Universitäten findet. Die Sitzhöhe der Gäste betrug 1,26 m und die geometrischen Größen der Esstische entsprachen denen des experimentellen Tests. Auf den Tischen wurden Fern-UVC-Lampen platziert, um Mikroben zu inaktivieren. Zur Beleuchtung wurden an der Decke vier Leuchtstofflampen mit den Abmessungen 1,25 m (Länge) × 0,15 m (Breite) × 0,06 m (Höhe) montiert. Der Speisesaal wurde mit einer Mischlüftungsanlage ausgestattet. Die klimatisierte Luft wurde durch einen quadratischen Diffusor in der Mitte der Decke zugeführt und die Innenluft wurde durch zwei symmetrische quadratische Auslässe abgesaugt. Die Längen des Diffusors und der Auspuffrohre betrugen jeweils 0,15 m. Insgesamt wurden in der Domäne 1,8 Millionen ungleichmäßige tetraedrische Gitterzellen erzeugt, mit einer feineren Gittergröße von 4 mm in der Nähe des Diffusors, der Auspuffanlagen, Leuchtstofflampen, Esstische, Fern-UVC-Lampen und Gäste. Mittlerweile erhöhte sich die Gittergröße in anderen Regionen schrittweise auf 50 mm mit einer Wachstumsrate von 1,2.

Geometrisches Modell eines Speisesaals mit Fern-UVC-Lampen zur Desinfektion von Esstischen.

Die Anzahl sowohl der Gäste als auch der Lampen variierte je nach der betrachteten Situation. An einem Esstisch können ein bis vier Gäste gleichzeitig Platz finden, und bei mehreren Gästen können sie auf derselben Seite oder einander gegenüber sitzen. Wie in Abb. 5 gezeigt, kann die Fern-UVC-Lampe direkt über dem Essbereich platziert werden, wenn nur ein Esszimmer vorhanden ist. Zwei Gäste können sich gegenüber oder auf derselben Seite sitzen. Für drei Gäste wurden drei Lampen an der Decke angebracht. Für vier zusammensitzende Gäste reichte die Anzahl der Lampen von eins bis vier.

Die Fern-UVC-Lampen wurden 25 cm über dem Tisch platziert. Während des Essens waren die Lampen eingeschaltet. Frühere statistische Analysen ergaben, dass die Mindestdauer einer Mahlzeit 5 Minuten beträgt38. Daher wurde bei dieser Untersuchung versucht, eine Inaktivierungseffizienz von nicht weniger als 3-log für E. coli für eine Mindestzeitdauer von 5 Minuten zu erreichen. Die Oberflächenbestrahlungsstärke der Excimerlampen wurde variiert, um die oben genannte Inaktivierungseffizienz zu erreichen, lag jedoch unter 100 mW/cm2. Die Bestrahlungsdosen für die Gäste wurden 5 Minuten lang bewertet, um die Sicherheit der Menschen zu gewährleisten.

Zusätzlich zur Inaktivierungseffizienz wurden die Ozonkonzentrationen im Speisesaal modelliert. Die Excimerlampen waren die Hauptquelle für Ozon. Die Ozonemissionsrate einer Excimerlampe mit einer oberflächenfernen UVC-Bestrahlungsstärke von 1,5 mW/cm2 wurde mit einem Ozonmonitor (Typ: 106 L; 2B Technologies, USA) zu 17,27 ± 3,05 μg/h gemessen. Weitere Details zur Messung der Ozonemissionsrate finden Sie in den Supportinformationen. Es wurde ein linearer Zusammenhang zwischen der Ozonemission und der Oberflächenbestrahlungsstärke angenommen. Ozon ist chemisch instabil und kann auf den meisten Oberflächen zersetzt werden, was Ozonsenken darstellt39. Das Vorhandensein verschiedener Senken wird die Ozonkonzentration im Weltraum verringern. Der Einfachheit halber wurden in dieser Untersuchung die Ozonentfernungsraten dieser Senken vernachlässigt, was zu höheren Ozonkonzentrationen als in der Praxis geführt haben könnte.

Tabelle 2 fasst die wichtigsten Randbedingungen für die numerische Modellierung zusammen. Die Seitengrenzen der Domäne wurden auf „Symmetrie“ gesetzt, um einen großen Speisesaal darzustellen. Die Decke, die Esstische und der Boden hatten eine konstante Temperatur von 25 °C, während die Temperaturen der Leuchtstofflampen und der Tische 40 °C bzw. 31 °C betrugen. Die Fern-UVC-Lampe gab einen stabilen Wärmefluss von 48,3 W/m2 ab. Die Bestrahlungsstärke der Oberfläche im fernen UVC-Bereich wurde von 0 bis 100 mW/cm2 variiert, um die erwartete Inaktivierungseffizienz zu erzielen. Dem Raum wurde klimatisierte Luft mit einer Temperatur von 17 °C und einer Rate von 476 m3/h zugeführt. Die beiden symmetrischen Luftauslässe saugten die Innenluft mit identischen Raten ab. Zusätzlich zur räumlichen Ozonkonzentrationsverteilung wurde die Konzentration in der Atemzone jedes Gastes analysiert. Die Atemzone wurde als ein 0,3 m großer Würfel definiert, dessen Mittelpunkt auf der Nase des Gastes lag.

Für die numerische Lösung wurde die Software ANSYS-FLUENT eingesetzt. Die Oberflächenbestrahlungsstärke wurde durch das S2S-Modell gelöst. Die Inaktivierungseffizienz kann ermittelt werden, wenn das Verhältnis der Überlebensrate eines Mikroorganismus zur Bestrahlungsdosis bekannt ist. Die Ozonkonzentration wurde als passiver Skalar modelliert und war somit einer turbulenten Luftströmung in Innenräumen ausgesetzt. Für die Strömungslösung wurde das RNG-k-ε-Turbulenzmodell zusammen mit der Standardwandfunktion verwendet40. Zur Berücksichtigung des thermischen Auftriebs wurde die Boussinesq-Näherung übernommen. Zur Kopplung von Druck und Geschwindigkeit wurde der SIMPLE-Algorithmus verwendet. Der Druck wurde durch das PRESTO-Verfahren diskretisiert, während die anderen Variablen durch das Upwind-Verfahren zweiter Ordnung diskretisiert wurden.

Die konvergenten Kriterien für die Oberflächenbestrahlungsstärke waren identisch mit denen im Abschnitt zur Modellvalidierung. Für Ozonkonzentrationen wurden Simulationen als konvergent angesehen, wenn die folgenden Kriterien erfüllt waren41: (1) das relative Residuum für die Kontinuitätsgleichung war kleiner als 10−5 und die anderen Variablen waren kleiner als 10−3; (2) das Verhältnis der Nettomassenströme an allen Grenzen zur Gesamtluftzufuhrrate betrug weniger als 10−5; (3) die Nettowärmeübertragungsrate an allen Grenzen betrug weniger als 0,5 % des maximalen Wärmegewinns; und (4) Luftgeschwindigkeit, Temperatur und Ozonkonzentrationen an typischen Punkten waren unabhängig von der numerischen Iteration.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel und seinen ergänzenden Informationsdateien enthalten.

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Die Forschung wurde von der National Natural Science Foundation of China (Fördernummer: 51978450) unterstützt.

Tianjin Laboratory of Indoor Air Environmental Quality Control, School of Environmental Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin, China

Mengqiang Lv, Jin Huang, Haofu Chen und Tengfei (Tim) Zhang

Fakultät für Bauingenieurwesen, Technische Universität Dalian, Dalian, China

Tengfei (Tim) Zhang

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ML: Methodik, Messung der Ozonkonzentration, Datenkuratierung, -analyse und -bearbeitung; JH: Messung, Software, Validierung, Datenkuratierung, Analyse, Originalentwurfsvorbereitung; HC: Vergleich der gezählten E. coli-Zahlen mit beiden Methoden; TZ: Konzeptualisierung, Methodik, Prüfung und Bearbeitung, Betreuung und Projektverwaltung. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Tengfei (Tim) Zhang.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Lv, M., Huang, J., Chen, H. et al. Eine Excimer-Lampe zur Bereitstellung von Strahlung im fernen Ultraviolett C zur Desinfektion von Esstischen. Sci Rep 13, 381 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27380-2

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Eingegangen: 13. September 2022

Angenommen: 02. Januar 2023

Veröffentlicht: 07. Januar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-27380-2

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