Обеззараживание воздуха и поверхностей импульсным УФ-излучением

29 Сентября 2015
Л.М. Василяк, А.Л. Вассерман
Авторами рассмотрены основные механизмы обеззараживания воздуха импульсным излучением большой мощности. Показано, что для обеззараживания воздуха в помещениях у импульсных ксеноновых ламп нет преимуществ перед амальгамными лампами низкого давления.
Обеззараживание воздуха
и поверхностей импульсным УФ-излучением


Сведения об авторах:
Л.М. Василяк, д. ф.-м.н., профессор,
А.Л. Вассерман, к.т.н. (Объединенный институт высоких температур РАН)


Авторами рассмотрены основные механизмы обеззараживания воздуха импульсным излучением большой мощности. Показано, что для обеззараживания воздуха в помещениях у импульсных ксеноновых ламп нет преимуществ перед амальгамными лампами низкого давления.

Качество воздуха в помещениях должно обеспечивать достаточно малый риск инфицирования людей воздушно-капельным путем. Расчет режима обеззараживания воздуха и поверхностей ультрафиолетовым (УФ) излучением проводят на основе руководства Р3.5.1904–04, исходя из объема помещения, типа микроорганизма и бактерицидной мощности УФ-ламп.
В качестве источников бактерицидного УФ-излучения используются ртутные и амальгамные лампы с электрической дугой низкого давления в инертном газе с парами ртути. Ртутные лампы низкого давления с каплей металлической ртути в колбе имеют высокий КПД (35–40%) преобразования электрической энергии в бактерицидное УФ-излучение с длиной волны 254 нм. В амальгамных лампах ртуть находится в связанном состоянии в амальгаме, а пары ртути образуются только внутри лампы после ее нагрева электрическим разрядом. В холодном состоянии пары ртути не образуются, поэтому в случае разрушения колбы лампы давление паров ртути в помещении будет ниже ПДК. Амальгамные лампы имеют высокие погонную мощность (2–3 Вт/см) и КПД (30–40%), большой полезный срок службы (12 000–16 000 часов), в течение которого мощность УФ-излучения снижается всего на 15–20%. Колба бактерицидных амальгамных ламп изготовлена из специального кварца, который не пропускает коротковолновое УФ-излучение ниже 200 нм, поэтому эти лампы не создают озон или другие вредные вещества в воздухе.
Обеззараживание УФ-излу­чени­ем с использованием амаль­гамных и ртутных ламп низкого давления является экологически без­опасным, экономичным и удобным в эксплуатации методом, для которого имеется четкая нормативная база. Накоплен длительный опыт практического использования данного метода в различных условиях.
В последнее время появились предложения использовать для обеззараживания импульсные ксеноновые лампы с пиковой мощностью импульса излучения 5–10 МВт, в непрерывном спектре излучения которых содержится значительная доля УФ-излучения.

Механизмы воздействия импульсного УФ-излучения на микроорганизмы
Импульсное излучение воздействует на микроорганизмы по разным механизмам. Основной механизм, который работает всегда и при любых интенсивностях излучения, – это воздействие УФ-излучения бактерицидного диапазона 205–315 нм на ДНК, в результате чего микроорганизмы не могут воспроизводиться. Количество выживших микроорганизмов экспоненциально падает с ростом полученной бактерицидной дозы.
Для реализации других механизмов необходимо, чтобы интенсивность УФ-излучения превышала определенные значения. При интенсивности импульса УФ-излучения в спектральных диапазонах A, B, C выше 1–3 кВт/см2 происходят перегрев микроорганизмов и их термическое разрушение, поскольку скорость подвода лучистой энергии превышает скорость сброса тепловой энергии микроорганизмом в окружающую среду. Излучение из видимой и инфракрасной (ИК) областей спектра существенно не нагревает микроорганизмы. Если интенсивность УФ-излучения ниже, то их термическое разрушение не происходит, однако поглощение УФ-излучения мембранами клеток может приводить к разрушению мембран и затем к гибели клетки. Существенным недостатком применения импульсного излучения в этом диапазоне импульсной мощности является недостаток экспериментальных данных о механизмах воздействия и критериях для их реализации.
Рассмотрим бактерицидную обработку импульсными ксеноновыми лампами в сравнении с амальгамными и ртутными лампами низкого давления с одной длиной волны 254 нм.

1. Термическое разрушение.

Оценим импульсную облученность источника с мощностью излучения 10 МВт. Если половина этой мощности есть УФ-излучение, тогда УФ-облученность на расстоянии 2 м от источника будет менее 10 Вт/см2, что существенно ниже пороговой величины 1–3 кВт/см2, необходимой для термического разрушения микроорганизмов. Поэтому термический механизм для обеззараживания помещений не применяется, а используется только для специальных задач, например, для стерилизации небольших предметов на заранее заданном расстоянии. При реализации перегревного механизма можно обеспечить глубокую стерилизацию, недоступную при применении только бактерицидного УФ-излучения малой мощности. Такое оборудование производят компания Steribeam (Германия) и Claranor (Франция). Оно предназначено для дезинфекции медицинских препаратов, растворов и инструментов, пищевых продуктов, упаковочных материалов и различных поверхностей для пищевой, медицинской, парфюмерной промышленности. Используются ксеноновые лампы вспышки c полной энергией 800 Дж, длительностью импульса 250 мкс, доля УФ-излучения в C-области (UVC) составляет 12–15%, UVB – 10–12%, UVA – 10–15%, доля всего УФ-излучения – 40–42%. Полная доза на поверхности образца – 500–800 мДж/см2, интенсивность УФ-излучения на поверхности образца – 2–4 кВт/см².

2. Воздействие на ДНК.
Импуль­сные источники УФ-излу­чения могут быть использованы для обеззараживания аналогично обычным бактерицидным лампам. Такой подход использует компания LightStream (США) при разработке УФ-оборудования для обеззараживания воды. Необходимая УФ-доза определяется интегрированием по всему спектру и по времени действия импульса, причем импульсному излучению не приписывается никаких дополнительных преимуществ. Использование бактерицидного УФ-излучения зависит от спектрального состава излучения, которое, в свою очередь, зависит от плотности разрядного тока и схемы включения лампы. Например, для ксеноновых ламп типа ИНП-7/120 и ИФП-8000 бактерицидный поток составит около 9–10% от вкладываемой в лампу электрической энергии. С учетом того, что источник питания импульсных ламп потребляет 50–100% от средней мощности ксеноновой лампы, оборудование с импульсными лампами в 4–5 раз проигрывает по энергетике ртутным и амальгамным лампам низкого давления. Применение импульсных ламп может быть необходимым на специальных производствах и в условиях, где не допускается наличие ртути, например, в микроэлектронике либо для повышения экологической безопасности.

3. Воздействие на мембраны.
При обеззараживании помещений импульсным УФ-излучением предполагают, что перегревный механизм уже не работает, но интенсивность УФ-излучения достаточно велика для разрушения мембран или других важных частей микроорганизма. В России такое оборудование разрабатывает и производит предприятие «Мелитта». Эффективность обеззараживания импульсным излучением была исследована для нескольких общепринятых тестовых микроорганизмов. Разработчики считают, что эффективность импульсного УФ-излучения на расстояниях 0,5–2 и даже 4 м превышает эффективность только воздействия на ДНК бактерицидной части УФ-излучения в применяемых импульсах.
Сравним импульсное оборудование для обеззараживания помещений с передвижными открытыми УФ-облучателями с ртутными и амальгамными лампами низкого давления. На современном рынке представлен широкий спектр этого оборудования, которое постоянно совершенствуется.
Облучатели в России производят несколько компаний: ООО ЦС «Сентех» (ОБН-450П «УФИК»), ООО «Элид» (ОБПе-450 «Азов»), ООО «СибЭСТ» (ОБП-6х30-450) и т. д. Несомненными достоинствами этих облучателей являются относительно низкая цена, а также широкая распространенность и дешевизна запасных и сменных элементов. Открытые передвижные облучатели на амальгамных лампах в России производит компания «ЛИТ» («СВЕТОЛИТ-50» и «СВЕТОЛИТ-90»), их плюсами является большая мощность УФ-излучения при малых габаритах и массе, что в свою очередь делает более удобной эксплуатацию. Технико-экономические показатели ряда передвижных открытых бактерицидных облучателей, производимых в России, представлены в таблице.
Как следует из данных в таблице, в случае применения УФ-излучения для обеззараживания воздуха и поверхностей в помещениях у ксеноновых ламп нет никаких преимуществ по сравнению с традиционными ртутными и амальгамными лампами низкого давления. Ксеноновые облучатели можно отнести к облучателям специального назначения ввиду того, что при очень высокой стоимости бактерицидная эффективность этих облучателей в отношении индикаторного микроорганизма Staphylococcus аureus близка по своим значениям к облучателям на основе ртутных и амальгамных ламп, стоимость которых на порядок ниже. К недостаткам также можно отнести и высокую стоимость ламп при малом ресурсе (при частоте следования импульсов 2,5–3 Гц – не более 1000 часов). Вызывает затруднения обеззараживание больших помещений, производитель рекомендует обработку таких помещений производить в несколько этапов, переставляя облучатель по мере обработки, что приводит к увеличению его времени.
Импульсное обеззараживание может быть востребовано для специальных задач, например в мик­роэлектронике, где требуется оборудование без ртути. Окончательный выбор оборудования всегда определяется конкретностью решаемых задач и экономической целесообразностью.
Следует особо отметить, что воздействие импульсного излучения пока исследовано недостаточно, предлагаемое оборудование испытано на небольшом количестве мик­роорганизмов и на сравнительно небольших расстояниях от источника, поэтому разработчики рекомендуют его для вполне определенных помещений. Поскольку достоверных данных о механизмах воздействия импульсного излучения нет, то нет и критериев его применимости, а следовательно, невозможно прогнозировать его применение при изменении условий. Нет и уверенности в том, что все патогенные микроорганизмы будут обезврежены. Потребитель фактически получает «черный ящик», для которого разработчики не дают никаких характеристик, даже тех, которые можно измерить, например, спектр излучения. По-видимому, метод импульсного обеззараживания будет развиваться по мере накопления экспериментальных данных и выяснения механизмов воздействия.
Для обеззараживания УФ-излу­чением на длине волны 254 нм от ртутных и амальгамных ламп есть таблицы доз для всех известных патогенных микроорганизмов при разных условиях, есть критерии применимости, руководства, датчики, которые позволяют измерить полученную бактерицидную дозу, есть практическое подтверждение применимости в разных условиях в течение почти 100 лет.

Ресурс, энергетические и эксплуатационные расходы
Сравним обеззараживание поверхностей и воздуха в помещениях импульсными ксеноновыми лампами и ртутными или амальгамными лампами низкого давления.
Сравним эффективность обеззараживания поверхностей импульсной установкой «Альфа-01» со средней потребляемой мощностью 1,5–2 кВт и ртутной бактерицидной лампой типа TUV75 (Philips) с электрической мощностью 75 Вт и бактерицидным потоком 26 Вт на длине волны 254 нм. Согласно протоколу испытаний, приведенному на официальном сайте предприятия «Мелитта», для обеззараживания тестового микроорганизма St. aureus с эффективностью 99,9% на расстоянии 2 м от установки «Альфа-01» требуется 5 минут. При обеззараживании поверхностей основной величиной, характеризующей обеззараживание УФ-излучением, является поверхностная доза. В соответствии с руководством Р3.5.1904–04 для обеззараживания поверхности с эффективностью 99,9% необходимо обеспечить дозу УФ-излучения 254 нм не менее 66 Дж/м2. Для оценки будем предполагать, что облученность от лампы на расстоянии 2 м падает по закону для точечного источника. Доза 66 Дж/м2 будет обеспечена при облучении поверхности в течение 128 с, то есть около 2 минут, что быстрее, чем установкой «Альфа-01», с затратами электроэнергии в 50 раз меньшими, и на два порядка меньшей стоимостью ртутной лампы с блоком питания по сравнению со стоимостью установки «Альфа-01».
Срок службы импульсных ксеноновых ламп определяется числом вспышек, которые может обеспечить лампа. Проведем оценку оборудования предприятия «Мелитта» по имеющимся данным в публикациях, техническом задании и проспектах. В статье разработчиков оборудования указано, что ресурс лампы – 10 000 цик­лов обеззараживания при бактерицидной эффективности 99%. Исходя из этих данных, получим, что при частоте импульсов 2,5 Гц ресурс составит 6,6.106 импульсов, или 733 часа непрерывной работы. Ресурс амальгамных и ртутных ламп низкого давления – в 10–15 раз больше.
Стоимость импульсной ксеноновой лампы в несколько раз выше, чем амальгамной лампы, а стоимость оборудования с импульсными ксеноновыми лампами на порядок больше, чем с амальгамными лампами. Применение мощной высоковольтной импульсной техники значительно увеличивает габариты и сложность силового питания для импульсных ламп, предъявляет повышенные требования к электробезопасности при работе с импульсным высоковольтным оборудованием, что также повышает эксплуатационные расходы.
В некоторых приведенных на сайте предприятия «Мелитта» статьях указываются чрезвычайно большие периоды времени, необходимые для обработки помещений ртутными лампами: например, что для обработки помещения импульсными лампами необходимо 8 минут, а бактерицидными лампами – более 1 часа, при этом не указана мощность этих ламп. Заметим, что сравнение времени обработки будет корректным только в том случае, когда сравниваются импульсные и ртутные лампы одинаковой мощности, а в этом случае, как обсуждалось выше, время обработки будет одинаковым или даже меньше для ртутных ламп. Столь длительное время обработки свидетельствует о применении ламп малой мощности, не более 25–30 Вт.

Образование вредных веществ
УФ-излучение импульсных ксеноновых ламп производит диссоциацию кислорода с последующим образованием озона, а также диссоциацию молекул воды и органических молекул с последующим образованием новых продуктов. В частности, для импульсных установок «Альфа-01» и «Альфа-05» производства предприятия «Мелитта» указывается, что концентрация озона в помещениях 150 или 75 м3 соответственно при работе этих установок не превышает ПДК 0,03 мг/м3. Однако следует учесть, что озонообразующее коротковолновое излучение поглощается на расстоянии около 30 см, поэтому если длительность обработки составляет 5–7 минут, то вблизи источника излучения будет высокая концентрация озона и других вредных веществ. К такой зоне приближаться опасно, и необходимо около 0,5 часа для перемешивания озона с воздухом во всем объеме помещения, чтобы его концентрация снизилась до уровня ниже ПДК. По-видимому, по этой причине производители указывают, что при работе этих установок необходимо обязательное проветривание.
Бактерицидные амальгамные и ртутные лампы низкого давления не образуют озон и другие вредные вещества, поскольку линия 254 нм их не генерирует, а излучение с меньшими длинами волн поглощается специальными добавками в кварце и не выходит наружу, поэтому они безопасны.

Электромагнитные воздействия
Импульсная ксеноновая УФ-лампа представляет собой открытый виток с импульсным током амплитудой 1–10 кА длительностью несколько десятков микросекунд и импульсным напряжением около 5 кВ. Такая система оказывает на окружающее оборудование несколько типов воздействий, таких как импульсное электрическое поле с высокой напряженностью, импульсное магнитное поле, электромагнитная волна. Согласно законам электродинамики в окружающем оборудовании будут создаваться электрические заряды и протекать импульсные токи для компенсации импульсного магнитного поля. Эти импульсные поля и токи будут проникать внутрь оборудования и воздействовать на мик­роэлектронику и элементы компьютерной техники. Эти воздействия происходят в полосе частот, которая близка к частотам работы логических схем и компьютеров, что может приводить к сбою в работе компьютерных программ и баз данных, в работе микроэлектроники, а со временем – и к выходу оборудования из строя. Эти явления хорошо известны в высоковольтных лабораториях, в которых занимаются исследованиями импульсных электрических разрядов, поэтому там принимаются специальные меры для экранировки и защиты измерительного оборудования.

Выводы
• В случае применения УФ-излучения для обеззараживания воздуха и поверхностей в помещениях у ксеноновых ламп нет преимуществ по сравнению с традиционными ртутными и амальгамными лампами низкого давления. Импульсное УФ-оборудование с ксеноновыми лампами существенно проигрывает ртутным и амальгамным лампам низкого давления по энергопотреблению, эксплуатационным расходам, ресурсу и стоимости. Применение импульсных систем оправданно для решения специальных задач.
• В настоящее время бактерицидная эффективность обеззараживания импульсным УФ-излучением помещений и предлагаемое оборудование проверены только для нескольких тестовых микроорганизмов. Достоверных данных о механизмах воздействия импульсного излучения пока нет, нет и критериев его применимости, поэтому нет и уверенности в том, что все патогенные микроорганизмы будут обезврежены. Метод требует дополнительных исследований, поэтому его применение пока ограничено.
• При работе импульсных ламп могут вырабатываться озон и другие вредные вещества.
• Импульсная лампа является источником мощных электромагнитных импульсов, которые могут вывести из строя микроэлектронику или привести к сбою в работе интеллектуального оборудования.
Фото облучателей, предоставленные авторами статьи, получены с официальных сайтов компаний-производителей данного оборудования
(www.lit-uv.com, www.sibest.ru, www.melitta-uv.ru, sentech-medical.ru).