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Mit Licht gegen Keime - Aktueller Technologievergleich zur Desinfektion mit UVC-Licht

Aktualisiert: 22. Sept. 2023


Darstellung von UV-Licht
UVC-Licht - nur künstlich auf der Erde verfügbar

Zur Desinfektion von Gegenständen, Wasser, den unterschiedlichsten Oberflächen oder auch Luft, kommt seit Jahrzehnten auch UVC-Licht zum Einsatz. Da natürliches UVC-Licht auf der Erde jedoch nicht vorkommt, muss es künstlich erzeugt werden. Das geschah lange Zeit mit sogenannten Niederdruck-Quecksilber-Lampen. Die Lampentechnologie geht auch hier mit großen Schritten in eine neue Richtung. Seit einiger Zeit sind im UVC-Bereich, ebenso wie in der herkömmlichen Beleuchtungsindustrie, die LEDs auf dem Vormarsch. Aber, was können die kleinen Lämpchen eigentlich leisten? Wie hoch ist die Desinfektionswirkung, wie sieht es mit den Kosten aus und können sie schon mit den bisherigen UVC-Lampen mithalten? Das haben sich die UVIS-Hygieneexperten einmal angesehen und hier im einem Technologievergleich zusammengefasst.

In der Medizin, der Wasseraufbereitung oder auch in der Lebensmittelindustrie ist es bereits seit langem im Einsatz – UVC-Licht zur Desinfektion von Oberflächen, Gegenständen, Wasser und Luft. Der hochenergetische Teil des natürlichen Sonnenlichts wird von der Ozonschicht allerdings komplett herausgefiltert, sodass das UVC-Licht künstlich durch Lampen erzeugt werden muss.


Desinfektion mit Licht

Licht wird in verschiedene Spektren unterteilt – das Infrarotlicht, das sichtbare Licht und das UV-Licht, welches dann in die Röntgenstrahlung übergeht. Innerhalb der UV-Strahlung unterteilt man in Vakuum-UV und die bekannten UVA-, UVB- und UVC-Strahlen. Alle sind äußerst schädlich für unsere Zellen und ebenso für Organismen jeglicher Art, auch krankheitsverursachende Keime. Die UVC-Strahlung ist so hochenergetisch, dass die DNA bzw. RNA im Zellkern zerstört wird und der Organismus nicht überlebensfähig ist. Mit der UVC-Lampe im UVIS Surface, die bei der Wellenlänge von 254 Nanometern (nm – Millionstel Millimeter) liegt, kann beispielsweise eine Desinfektionsstufe von 6 log* erreicht werden, das heißt nur ein Keim von einer Million Keimen überlebt und das ist eine so geringe Menge, dass man sich dadurch theoretisch nicht mehr anstecken kann.

Darstellung der verschiedenen Strahlungen innerhalb des Lichts
UV-Spektrum

Neben der UVC Strahlung gibt es aber noch einen Strahlungsbereich, der schon innerhalb des sichtbaren, für den Menschen unschädlichen Lichts liegt, der aber auch desinfizierende Wirkung aufweist – das sogenannte Blue Light im Wellenbereich von 400-500 nm.



Licht als tödliche Waffe – keine Star Wars-Fantasie

Dass UV-Licht schädlich ist, wissen wir aus der Sonnencreme-Werbung schon lange. Wir bekommen Sonnenbrand oder wenn wir es übertreiben, wird das Zellinnere, die DNA angegriffen und die Zellen mutieren unter Umständen zu Krebs oder, wenn die Augen die Strahlung abbekommen, können wir erblinden. Doch was passiert bei Keimen, wenn sie von UVC-Licht bestrahlt werden?

Im Grunde genau dasselbe.

Vereinfachte Darstellung wie UVC-Strahlung die DNA schädigt
UVC-Strahlung schädigt die DNA

DNA und auch RNA bestehen aus vier Grundbausteinen (Adenin, Thymin/Uracil, Guanin und Cytosin) die bei der DNA in der Doppelhelix verbaut sind. Das UVC-Licht spaltet die Verbindung zum gegenüberliegenden Strang, wenn beispielsweise zwei Thymine nebeneinander liegen und verbindet diese zu sogenannten Dimeren.


Vereinfachte Darstellung, wie Dimere durch die UV-Schädigung entstehen
Dimere entstehen durch die UV-Schädigung

Dadurch können die Stränge in der Reproduktion nicht mehr abgelesen werden und sind somit unbrauchbar. Die Zelle kann sich nicht teilen, vermehren und die Zellfunktionen sind blockiert. Die Zelle oder der gesamte Mikroorganismus sterben ab.




Technologievergleich UVC-Lampen – die Qual der Wahl

Unser Ziel ist es, die Zellen so zu schädigen, dass sie absterben. Um also eine Desinfektion mit 4 oder 5 log oder sogar eine Sterilisation mit 6 log zu erreichen, muss das Objekt, oder bei uns der Keim, mit der richtigen UV-Dosis bestrahlt werden. Diese ist abhängig von der richtigen Lampe, in der richtigen Wellenlänge, der Bestrahlungsdauer und dem Abstand zum Objekt. Niederdruck-Quecksilber-Lampen geben den größten Teil ihrer Photonen bei 254 nm ab, im Maximum der DNA-Zerstörung. Daher werden diese auch immer noch für die Desinfektion eingesetzt und sind mit einem Wirkungsgrad von 17 Prozent nach wie vor am effizientesten.

Auf dem Vormarsch sind seit der Corona-Pandemie jedoch die UVC-LEDs oder auch UVEDs, die bisher eine Strahlen-Bandbreite von 260 bis 280 nm aufweisen. Diese liegen damit nicht im bisherigen Optimum von 254 nm für die Entkeimung. Hier geht es aber mit ganz großen Schritten voran, wie auch vor Jahren bei der Entwicklung von Alternativen zur Glühbirne.


Bereits jetzt sind UV-LEDs bei der Wellenlänge von 365 nm viel effizienter (>65 %) als Quecksilberdampf-Lampen (8 %), bei der Wirkung auf die DNA von Mikroorganismen sind die Lampen bisher aber noch unangefochten technologischer Spitzenreiter.


Es wird allerdings vermutet und in diese Richtung geht auch die Entwicklung bei den UV-LEDs, dass die mikrobiologische Wirkung auf die DNA bei 278 nm noch etwas stärker ist als bei 254 nm. Mit der rasanten Entwicklung und der Steigerung des Wirkungsgrades geht aber auch eine rasante Preisentwicklung einher, ins positive für die weiterverarbeitende Industrie, denn der Preis halbiert sich circa alle zwölf Monate.


Herausforderungen in der Entwicklung

Dass die UVEDs auf dem Vormarsch sind, ist unbestritten. Dazu hat auch die Pandemie der letzten Jahre beigetragen. Allerdings stellt sich im Entwicklungsprozess eine weitere große Herausforderung. Neben dem Erreichen der optimalen Wellenlänge und der entsprechenden UV-Dosis zur Abtötung der Keime, würde ein UVED-Äquivalent zu bestehenden UVC-Lampen eine hohe Wärme entwickeln. Aktuell würden 35 UVEDs mit je 70 mW benötigt werden, um die Leistung der UVC-Quecksilber-Lampe, die beispielsweise im ESCALITE-Modul verbaut ist, nachzuempfinden.


Um die UVEDs auf einer für die restliche Technik verträgliche Temperatur zu halten, müssten diese mit einer Leitung von 90 W entwärmt werden. Das sind ähnliche Abwärmen wie bei aktuellen Hochleistungsprozessoren aus dem PC-Bereich, die nur aktiv mit Lüftern und Klimaanlagen in den Serverräumen entwärmt werden können. Selbst in diesem Bereich gelingt es nur sehr schwer, die Temperatur dauerhaft unter 60 °C zu halten. Von daher muss nicht nur an der Strahlungsdosis und damit der Effizienz der UVEDs, sondern auch an deren Wärmeentwicklung weiter geforscht werden.


Sanftes Licht zur Desinfektion

Beide Technologien, UVED und UVC-Lampen, oder besser die Licht-Wellenlängen sind wie wir wissen sehr schädlich für den Menschen. Doch es gibt auch desinfizierende UVC-Strahlung, die nicht schädlich für menschliche Zellen sein soll. Zum einen Far-UVC, bei dem die Strahlung von Excimer-Lampen mit einer Wellenlänge von 222 nm erzeugt wird und zum anderen das sogenannte „Blue Light“ mit einer Wellenlänge von 400 bis 500 nm, also oberhalb des UV-Wellenbereichs, im sichtbaren Bereich des Lichts.


Aber warum wirkt das Licht in diesen Bereichen des UV-Spektrums ebenfalls desinfizierend, aber nicht schädlich für den Menschen? Bei der Wellenlänge von 222 nm wird nicht die DNA, sondern primär Proteine in Mittleidenschaft gezogen. Die äußerste Schicht der Haut besteht hauptsächlich aus abgestorbenen Hautzellen, die Keratin enthalten. Die Strahlung wird vom Keratin in so hohem Maße absorbiert, dass nur ein sehr geringer Anteil der Strahlung in tiefere Hautschichten gelangt, wo sie Schaden anrichten könnten.


Das „blaue Licht“ hingegen kann alle Formen von Bakterien, Hefe und Schimmel abtöten, denn die Mikroben enthalten lichtempfindliche Verbindungen in ihren Zellen. Dadurch können diese das Licht absorbieren und die Energie nutzen, um Enzyme oder Proteine zu produzieren und ihr Wachstum und ihre Lebenskraft zu steigern. Wenn diese lichtempfindlichen Verbindungen nun aber bestimmten Wellenlängen von desinfizierendem blauem Licht und einer bestimmten Lichtintensität ausgesetzt werden, wird eine chemische Reaktion in Gang gesetzt, bei der verschiedene Arten von reaktiven Sauerstoffradikalen (ROS) gebildet werden. Diese werden auch als freie Radikale bezeichnet. Die ROS schädigen alles Organische, mit dem sie in Kontakt kommen – und wenn sie lange genug aufrechterhalten werden, zerstören sie auch die Mikrobe von innen. Hier ist also nicht direkt das Licht der Übeltäter, sondern die ROS.


Die Experten sind sich bei beiden Technologien in Bezug auf die Schädigung des Menschen allerdings noch nicht ganz einig, denn es fehlen Langzeitstudien, die die Unbedenklichkeit belegen könnten.


Wie beim allem – die Dosis macht’s

Wie schnell welcher Organismus unschädlich gemacht wird, ist von der sogenannten letalen Dosis abhängig oder einfacher: Wie lange muss man bestrahlen, damit eine Dosis erreicht ist, die den Keim abtötet? Das wiederum ist abhängig von der eingesetzten Lampenart, also der Wellenlänge, dem Abstand zum bestrahlten Objekt und der Bestrahlungsdauer.


Für jede Art von Mikroorganismus gibt es bei der Desinfektion mit UVC-Licht eine spezifische letale Dosis (LD). Das bedeutet, dass es auch keine Resistenzen gibt. Als Richtwert dient dabei die LD90, also die Dosis bei der 90 Prozent einer Population (1 log) abgetötet werden.



LD90 Tabelle verschiedener Keime

Dabei sind die verschiedenen Keime unterschiedlich anfällig. Bakterien und Viren sind einfache Zellen deren DNA (RNA) kaum geschützt ist, daher haben diese auch eine geringe LD90 von 1 bis 6 mJ/cm2 (Mikro-Joule/Quadratzentimeter). Dazu gehören beispielsweise der Influenzavirus mit einer Dosis von 2,1 mJ/cm2 oder der Rotavirus mit 7,8 mJ/cm2 wie auch die Bakterien E.coli mit 2,5 mJ/cm2 und Bacillus subtilis mit 6,8 mJ/cm2 .


Etwas resistenter sind Hefen und vegetative Pilzzellen, die schon eine komplexere Zelle mit Kern besitzen und die DNA als Chromosomen darin geschützt ist. Bei diesen liegt die letale Dosis im Durchschnitt bei 4 bis 10 mJ/cm2. Eine der bekanntesten Hefepilze ist die Candida albicans sogar mit einer LD90 von 11 mJ/ccm2, welche meist bei Babys, Kleinkindern und Frauen sehr unangenehme Pilzinfektionen verursachen kann.


Die höchste Widerstandskraft besitzen jedoch die Schimmelpilze. Der Schwarzschimmel (Aspergillus niger) ist dabei mit einer LD90 von 98 mJ/cm2 die resistenteste Variante. Schimmelpilze haben eine robuste Zellwand sowie ein dichtes Zellvolumen und ihre DNA ist komplex in einem Zellkern verpackt. Daher liegt die LD90 auch bei 8 bis 100 mJ/cm2.


In einer Studie der Universität Tübingen konnte aufgezeigt werden, wie effektiv die Desinfektion mit UVC-Strahlung gegen SARS-CoV-2 auf Oberflächen ist. Selbst bei der schnellen Bewegung mit dem Handgerät (Zone HP) im Abstand von zwanzig Zentimetern über die Oberflächen, die eine Desinfektion von üblichen Oberflächen simulieren sollte, konnten in der Probe keine infizierten Zellen mehr nachgewiesen werden. Die Berechnungen ergaben, dass für alle bestrahlten Proben eine Infektionsreduktion von mindestens 99,9999 Prozent (6 log) erreicht wurde, was einer vollständigen Inaktivierung entspricht.

Foto von UV-reaktiven Testpunkten mit Dosenskala
UV-reaktive Testpunkte mit Dosenskala

Wie lange nun die Oberfläche mit einer entsprechenden Lampenart bestrahlt werden muss, ist zusätzlich noch vom Abstand zur Oberfläche abhängig. Mit welchem Abstand welche Dosis erreicht wird, kann man sehr gut mithilfe von UVC reaktiven Testpunkten und der entsprechenden Dosisskala feststellen.



Durchblick schaffen

Im Dschungel der UVC-Technologie und den möglichen Einsatzformen den aktuellen Überblick zu behalten, ist nicht so einfach. Welche umfassenden Desinfektionsmöglichkeiten gibt es schon heute? Wo geht die Entwicklung hin? Wie und mit wem kann man individuelle Lösungen entwickeln? Mit diesen Fragen kann man sich gerne an die UVIS-Hygieneexperten wenden oder in unseren FAQs stöbern.


Fazit

Die Desinfektion von Oberflächen und Gegenständen sowie Luft oder Wasser mit UVC-Licht wird in Zukunft sicher nicht mehr nur der Medizin und der Industrie, sondern auch der breiten Bevölkerung in öffentlichen Bereichen weiterhin zur Verfügung stehen. Dieser Ressourcen schonenden und nachhaltigen Variante der Desinfektion wird man nicht mehr aus dem Weg gehen können. Wo und wie die modernen Technologien dann zum Einsatz kommen, wird die steigende Nachfrage nach umwelt- und klimafreundlichen Alternativen zeigen.



Quellen:

O.U.T. e.V., Berlin


Fotocredit:

Heraeus

UVIS

Adaptiert von UVpro


Veröffentlicht am: 4. Juli 2023


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