Was ist UVC-Licht? Wie nutzt man es zur UV-Desinfektion?

Physikalische Erklärung UV-Strahlung
Ultraviolettstrahlung sind elektromagnetische Wellen der Wellenlänge von 100 bis 380 nm oder einer Frequenz von über 789 THz. Die Energie eines einzelnen Lichtquants beträgt etwa 3,26 eV. Ultraviolettstrahlung ist nicht sichtbar.

Sie zählt zur Gruppe der optischen Wellenlängen, weshalb häufig der Begriff “UV-Licht” anzutreffen ist, welcher genau genommen nicht ganz korrekt ist. UV-Strahlung kann wie das Licht anderer Wellenlängen oder der Infrarot-Strahlung gebrochen, reflektiert, gebeugt und absorbiert werden – allerdings ist das Reflexionsverhalten in Bezug auf die Materialwahl des Reflektors nicht mit dem des sichtbaren Bereich zu vergleichen. Durch die Lumineszenzanregung (s. Analysengeräte / Wood Light) kann Ultraviolettstrahlung indirekt sichtbar gemacht werden.

Was bedeutet UV-A, UV-B und UV-C und worin liegt der Unterschied?
Ultraviolettstrahlung wurde in mehrere Gruppen unterteilt. Diese Gruppen haben unterschiedliche biologische Wirkungen und technische Einsatzbereiche. Nachfolgendes Diagramm zeigt, in welchem Bereich des elektromagnetischen Spektrums die UV-Strahlung zu finden ist. Der gesamte UV-Bereich wird definiert von 400 – 10 nm. Dabei ist die Energie der Lichtquanten umgekehrt proportional zur Wellenlänge (je kürzer die Wellenlänge, desto energiereicher die Strahlung).

Wer hat die UV-Strahlung entdeckt?
Bereits 1878 haben zwei Forscher (A. Downes & T. P. Blunt) den ursächlichen Zusammenhang zwichen UV-Strahlung und Wachstum von Mirkoorganismen entdeckt. Hierbei ging es um den Nachweis, daß sich Mikroorganismen ohne Sonneneinstrahlung nicht vermehren. Lange Zeit später wurde herausgefunden, daß kurzwellige UV-Strahlung im UV-C Bereich eine dekontaminierende Wirkung aufweist. In den 60er Jahren wurde mit der Entschlüsselung und Erforschung der DNS dies erst vollständig verstanden.

Wer hat die erste UV-Strahlenquelle hergestellt?
Richard Küch war 1890 erstmals in der Lage Quarzglas zu schmelzen, die Grundlage für UV-Strahlenquellen, und gründete die “Heraeus Quarzschmelze”. Er entwickelte die erste Quarzlampe im Jahre 1904 und legte damit die Grundlage für die Lampentechnologie, die bis heute Ihre Anwendung findet. Es entstand unter dem Dach der damaligen “Original Hanau” die erste Quarzlampe, deren UV-Lichtausbeute fast dem Spektrum der Sonne entsprach.

Mit der Entwicklung von Quecksilberdampf-Niederdruckstrahlenquellen war es möglich, beispielsweise die entkeimungswirksame UV-C Strahlung künstlich herzustellen. Im Laufe der Zeit wurden mehr und mehr Anwendung für die technisch erzeugte UV-Strahlung entdeckt und industiell nutzbar gemacht. So kommt es, dass heute noch Jahr für Jahr neue Anwendungen gefunden und zur Marktreife gebracht werden.

Wir begleiten Sie auf diesem Weg mit Kompetenz und Sachverstand.

Warum desinfiziert Ultraviolett?
Alle Mikroorganismen enthalten unter anderem Nukleinsäure (die DNS und RNS) in der die Erbinformationen der Zelle enthalten sind. Weil die Nukleinsäuren die auftreffende Strahlungsenergie absorbieren, wird ein fotochemischer Prozess ausgelöst, der den Vermehrungsapparat von Mikroorganismen schädigt und Keime inaktiviert. Dies erfolgt u.a über eine häufig vorkommende “Dimerbindung” der Thymin-Bausteine. Dies geschieht in Sekundenbruchteilen.

Keine Resistenz gegen UV möglich!

Populär gesagt: Bakterien, Viren, Hefe- und Schimmelpilze haben keine Chance gegen Ultraviolett. Denn zusätzliche Resistenz kann nach wissenschaftlichen Erkenntnissen nicht erworben werden. Die meisten pathogenen Keime sind gegenüber UV-Strahlen sogar besonders empfindlich. Ein wichtiger Vorzug der physikalischen Desinfektion, da diese zum Beispiel auch dann funktioniert, wenn Keime bereits eine Resistenzbildung gegen konventionelle Desinfektionsmaßnahmen (Alkohol, Antibiotika, …) erworben haben. An dieser Stelle sei auf die MRSA Problematik hingewiesen, mit denen viele medizinische Einrichtungen an die Grenze der bisher praktizierten Entkeimung und Prävention angekommen sind.

Dieser Umstand der physikalischen Entkeimung funktioniert bei allen Mikroorganismen, egal ob es dabei um häufig auftretende E.Coli Bakterien, Väkalkeime, TBC, SARS, Anthrax oder Legionellen geht. Eine ausreichende UV-Dosis ist allerdings wesentliche Grundlage – und setzt eine entsprechende Geräteentwicklung voraus.

Keine Verwechslung mit Gamma- und Röntgenstrahlen
Als unsichtbare Strahlung enthält auch das Sonnenlicht Ultraviolett und dieses wirkt, wie sichtbares Licht, nur an der Oberfläche. Deshalb wird es auch als “weiche” Strahlung bezeichnet. Im Gegensatz dazu stehen sehr viele kurzwelligere Strahler (unter 100 nm), so z.B. “harte” Röntgen- und Gammastrahlen. “Hart”, weil sie feste Materie durchdringen und schwere Schädigungen im menschlichen Organismus auslösen können. Mit Ultraviolett ist das unmöglich. Aus diesem Grund kann es weder Verwechslungen noch Vergleiche geben.

Jede UV-Strahlenquelle hat eine elektrische Leistungsaufnahme, von der ein Teil im UV-C Bereich emittiert wird. Die im UV-C Bereich emittierte Strahlung wird zu 90% bei 254 nm erzeugt, der für die Entkeimung wirksamen Wellenlänge. Diese wird als Strahlungsleistung bezeichnet. Die Strahlungsleistung ist also die Energie, die pro Zeiteinheit vom Strahler abgestrahlt wird.

Die Bestrahlungsstärke oder auch Intensität genannt (µW oder mW) ist die pro Flächeneinheit (cm²) auftreffende Strahlungsleistung. Für ihre Höhe entscheidend ist die optimale Ausnutzung des im Gerät eingebauten Strahlers sowie der Abstand zur zu entkeimenden Sache.

Multipliziert man die Bestrahlungsstärke/Intensität mit der Zeit (s), so ergibt sich die UV-Dosis / Bestrahlungsdosis: UV-Dosis (mWs/cm²) = Intensität (mW/cm²) x Zeit (s)

Je höher die Strahlungsleistung und je länger die Bestrahlungszeit, desto größer die desinfizierende Wirkung.

Für nahezu alle Mikroorganismen ist die “tödliche Dosis” an UV-C Strahlung bekannt, ab der die Zelle die Reproduktionseigenschaft verliert, inaktiviert wird und keine Selbstreparatur-Mechanismen aktiviert werden können. Aufgrund der Zellstruktur ist die Letaldosis unterschiedlich hoch. Pathogene Keime und Hefen sind äußerst empfindlich gegenüber UV-C. Manche Schimmelpilzsporen benötigen eine höhere UV-Dosis. Dies ist erforderlichenfalls bei der Auslegung zu berücksichtigen.

Die Grundlage der UV-Entkeimung ist die Auslegung des Entkeimungsgerätes bzw. die Auswahl der geeigneten Strahlenquelle. Am Ende der Strahlerlebensdauer muss eine ausreichend hohe UV-Dosis vorhanden sein um in der definierten Bestrahlungszeit eine entsprechende Entkeimungsleistung sicherzustellen. Die Letaldosis ist je nach Miroorganismus und Zellstruktur / Zelltyp unterschiedlich hoch. Pathogene Keime sind sehr empfindlich gegenüber UV-C und werden sehr schnell inaktiviert. Schimmelpilzsporen brauchen eine höhere UV-Dosis. In der Praxis wird z.B. bei Siegelfolien für Joghurtbecher innerhalb von 2 Sekunden eine Keimreduktion von 99,5 % bis 99,9 % erzielt (siehe Fraunhofer Prüfbericht für BlueLight Module).