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Irradiación germicida ultravioleta

Cuando no está en uso, un tubo de descarga de vapor de mercurio a baja presión inunda el interior de una cabina de bioseguridad con luz ultravioleta de onda corta, eliminando as...

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Cuando no está en uso, un tubo de descarga de vapor de mercurio a baja presión inunda el interior de una cabina de bioseguridad con luz ultravioleta de onda corta, eliminando así los microbios presentes en las superficies irradiadas.

La irradiación germicida ultravioleta (UVGI) es una técnica de desinfección que emplea luz ultravioleta (UV), en particular UV-C (180–280  nm), para matar o inactivar microorganismos . La UVGI inactiva principalmente los microbios dañando su material genético, inhibiendo así su capacidad para realizar funciones vitales. [ 1 ]

El uso de UVGI se extiende a una variedad de aplicaciones, que abarcan la desinfección de alimentos, superficies, aire y agua. Los dispositivos UVGI pueden inactivar microorganismos, incluyendo bacterias , virus , hongos , mohos y otros patógenos . [ 2 ] [ 3 ] Estudios recientes han corroborado la capacidad de la luz UV-C para inactivar el SARS-CoV-2 , la cepa de coronavirus que causa la COVID-19 . [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]

Las longitudes de onda UV-C demuestran una eficacia germicida y efectos variados en el tejido biológico. [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] Muchas lámparas germicidas como las lámparas de mercurio de baja presión (LP-Hg) , con emisiones máximas alrededor de 254  nm, contienen longitudes de onda UV que pueden ser peligrosas para los humanos . [ 12 ] [ 13 ] Como resultado, los sistemas UVGI se han limitado principalmente a aplicaciones donde las personas no están expuestas directamente, incluyendo la desinfección de superficies hospitalarias, UVGI de habitaciones superiores y tratamiento de agua . [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] Más recientemente, la aplicación de longitudes de onda entre 200 y 235  nm, a menudo denominadas UVC lejanas , ha ganado terreno para la desinfección de superficies y aire. [ 11 ] [ 17 ] [ 18 ] Estas longitudes de onda se consideran mucho más seguras debido a su penetración significativamente reducida en el tejido humano. [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] Además, su eficiencia se basa en el hecho de que, además del daño al ADN relacionado con la formación de dímeros de pirimidina, provocan una importante fotoionización del ADN , lo que conduce a un daño oxidativo. [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]

Cabe destacar que la luz UV-C está prácticamente ausente en la luz solar que llega a la superficie terrestre debido a las propiedades de absorción de la capa de ozono dentro de la atmósfera . [ 28 ]

Historia

Orígenes de la acción germicida UV

El desarrollo de la UVGI se remonta a 1878, cuando Arthur Downes y Thomas Blunt descubrieron que la luz solar, en particular sus longitudes de onda más cortas, inhibía el crecimiento microbiano. [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] Ampliando este trabajo, Émile Duclaux , en 1885, identificó variaciones en la sensibilidad a la luz solar entre diferentes especies bacterianas. [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] Unos años más tarde, en 1890, Robert Koch demostró el efecto letal de la luz solar sobre Mycobacterium tuberculosis , sugiriendo el potencial de la UVGI para combatir enfermedades como la tuberculosis . [ 35 ]

Estudios posteriores definieron con mayor precisión las longitudes de onda más eficientes para la inactivación germicida. En 1892, se observó que el segmento UV de la luz solar tenía el efecto bactericida más potente. [ 36 ] [ 37 ] Investigaciones realizadas a principios de la década de 1890 demostraron la eficacia germicida superior de la UV-C en comparación con la UV-A y la UV-B. [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]

Los efectos mutagénicos de la radiación UV se revelaron por primera vez en un estudio de 1914 que observó cambios metabólicos en Bacillus anthracis tras la exposición a dosis subletales de UV. [ 41 ] Frederick Gates, a finales de la década de 1920, ofreció los primeros espectros de acción bactericida cuantitativos para Staphylococcus aureus y Bacillus coli, observando una eficacia máxima a 265  nm. [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ] Esto coincidía con el espectro de absorción de los ácidos nucleicos , lo que sugería que el daño al ADN era el factor clave en la inactivación bacteriana. Esta comprensión se consolidó en la década de 1960 mediante investigaciones que demostraron la capacidad de la radiación UV-C para formar dímeros de timina , lo que condujo a la inactivación microbiana. [ 45 ] Estos primeros hallazgos sentaron las bases para la desinfección moderna mediante UVGI.

UVGI para desinfección del aire

La utilización de la irradiación ultravioleta germicida (UVGI) para la desinfección del aire comenzó en serio a mediados de la década de 1930. William F. Wells demostró en 1935 que los organismos infecciosos transmitidos por el aire, específicamente B. coli aerosolizada expuesta a la  radiación UV de 254 nm, podían inactivarse rápidamente. [ 46 ] Esto se basó en teorías anteriores sobre la transmisión de núcleos de gotitas infecciosas propuestas por Carl Flügge y el propio Wells. [ 47 ] [ 48 ] Antes de esto, la radiación UV se había estudiado predominantemente en el contexto de medios líquidos o sólidos, en lugar de microbios transmitidos por el aire.

Poco después de los experimentos iniciales de Wells, se empleó la irradiación ultravioleta germicida (UVGI) de alta intensidad para desinfectar un quirófano en la Universidad de Duke en 1936. [ 49 ] El método demostró ser un éxito, reduciendo las infecciones de heridas posoperatorias del 11,62 % sin el uso de UVGI al 0,24 % con el uso de UVGI. [ 50 ] Pronto, este enfoque se extendió a otros hospitales y salas de pediatría utilizando "cortinas de luz" UVGI, diseñadas para prevenir infecciones cruzadas respiratorias, con un éxito notable. [ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ]

Los ajustes en la aplicación de la UVGI dieron lugar a un cambio de las "cortinas de luz" a la UVGI en la parte superior de las habitaciones, confinando la irradiación germicida por encima del nivel de la cabeza humana. A pesar de su dependencia de una buena circulación de aire vertical, este enfoque produjo resultados favorables en la prevención de infecciones cruzadas. [ 55 ] [ 56 ] [ 57 ] Esto se ejemplificó con el uso exitoso que hizo Wells de la UVGI en la parte superior de las habitaciones entre 1937 y 1941 para frenar la propagación del sarampión en las escuelas diurnas de los suburbios de Filadelfia. Su estudio encontró que el 53,6 % de los susceptibles en las escuelas sin UVGI se infectaron, mientras que solo el 13,3 % de los susceptibles en las escuelas con UVGI se infectaron. [ 58 ]

Richard L. Riley, inicialmente alumno de Wells, continuó el estudio de las infecciones transmitidas por el aire y la irradiación ultravioleta germicida (UVGI) durante las décadas de 1950 y 1960, realizando importantes experimentos en una sala de tuberculosis de un hospital de veteranos. Riley demostró con éxito que la UVGI podía inactivar eficazmente los patógenos transmitidos por el aire y prevenir la propagación de la tuberculosis. [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ]

A pesar de los éxitos iniciales, el uso de UVGI disminuyó en la segunda mitad del siglo XX debido a diversos factores, entre ellos el auge de métodos alternativos de control y prevención de infecciones, la inconsistencia en los resultados de eficacia y las preocupaciones sobre su seguridad y los requisitos de mantenimiento. [ 14 ] Sin embargo, eventos recientes como el aumento de bacterias multirresistentes y la pandemia de COVID-19 han renovado el interés en UVGI para la desinfección del aire. [ 62 ] [ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]

UVGI para el tratamiento del agua

El uso de luz ultravioleta para la desinfección del agua potable se remonta a 1910 en Marsella, Francia . [ 66 ] La planta prototipo se cerró poco después debido a su escasa fiabilidad. En 1955, se aplicaron sistemas de tratamiento de agua con luz ultravioleta en Austria y Suiza; para 1985, había alrededor de 1500 plantas en funcionamiento en Europa. En 1998 se descubrió que protozoos como Cryptosporidium y Giardia eran más vulnerables a la luz ultravioleta de lo que se creía; esto abrió el camino al uso a gran escala del tratamiento de agua con luz ultravioleta en Norteamérica. Para 2001, había más de 6000 plantas de tratamiento de agua con luz ultravioleta en funcionamiento en Europa. [ 67 ]

Con el tiempo, los costos de la radiación UV han disminuido a medida que los investigadores desarrollan y utilizan nuevos métodos UV para desinfectar agua y aguas residuales. Varios países han publicado regulaciones y directrices para el uso de la radiación UV para desinfectar el suministro de agua potable, incluidos los EE. UU. [ 68 ] [ 69 ] [ 70 ] y el Reino Unido. [ 71 ]

Método de operación

La luz ultravioleta (UV) es radiación electromagnética con longitudes de onda más cortas que la luz visible pero más largas que los rayos X. La UV se clasifica en varios rangos de longitud de onda, considerándose la UV de onda corta (UV-C) como "UV germicida". Las longitudes de onda entre aproximadamente 200  nm y 300  nm son fuertemente absorbidas por los ácidos nucleicos . La energía absorbida puede provocar defectos, incluidos dímeros de pirimidina . Estos dímeros pueden impedir la replicación o la expresión de proteínas necesarias, lo que resulta en la muerte o inactivación del organismo. Recientemente, se ha demostrado que estos dímeros son fluorescentes. [ 72 ]

  • Las lámparas de mercurio que funcionan a baja presión de vapor emiten luz UV en la  línea de 253,7 nm. [ 73 ]
  • Las lámparas de diodos emisores de luz ultravioleta (LED UV-C) emiten luz UV en longitudes de onda seleccionables entre 255 y 280  nm. [ 74 ]
  • Las lámparas de xenón pulsado emiten luz UV en todo el espectro UV con una emisión máxima cerca de los 230  nm. [ 75 ]

Este proceso es similar, pero más intenso, al efecto de las longitudes de onda más largas ( UV-B ) que producen quemaduras solares en los humanos. Los microorganismos tienen menos protección contra los rayos UV y no pueden sobrevivir a una exposición prolongada a ellos.

Un sistema UVGI está diseñado para exponer entornos como tanques de agua , habitaciones y sistemas de ventilación forzada a radiación UV germicida. La exposición se produce mediante lámparas germicidas que emiten radiación UV germicida a la longitud de onda adecuada, irradiando así el entorno. El flujo forzado de aire o agua a través de este entorno garantiza la exposición de dicho aire o agua.

Eficacia

La eficacia de la luz ultravioleta germicida depende de la dosis de UV, es decir, de la cantidad de luz ultravioleta que llega al microbio (medida como exposición radiante ) y de la susceptibilidad del microbio a la(s) longitud(es) de onda de luz ultravioleta determinada(s), definida por la curva de eficacia germicida.

Dosis de rayos UV

La dosis de UV se mide en energía lumínica por área, es decir, exposición radiante o fluencia. La fluencia a la que está expuesto un microbio es el producto de la intensidad de la luz, es decir, la irradiancia , y el tiempo de exposición, según:

Dosis de UV (μJ/cm² ) = intensidad de UV (μW/cm² ) × tiempo de exposición (segundos) [ 76 ]

Asimismo, la irradiancia depende del brillo ( intensidad radiante , W/sr) de la fuente UV, la distancia entre la fuente UV y el microbio, la atenuación de los filtros (por ejemplo, vidrio sucio ) en la trayectoria de la luz, la atenuación del medio (por ejemplo, microbios en agua turbia ), la presencia de partículas u objetos que pueden proteger a los microbios de la radiación UV y la presencia de reflectores que pueden dirigir la misma luz UV a través del medio varias veces. [ 77 ] Además, si los microbios no se mueven libremente, como en una biopelícula , se bloquearán mutuamente la irradiación.

La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) publicó directrices sobre la dosificación de rayos UV para aplicaciones de tratamiento de agua potable en 2006. [ 70 ] Es difícil medir la dosis de rayos UV directamente, pero también se puede estimar a partir de:

Las bombillas requieren limpieza y reemplazo periódicos para garantizar su eficacia. La vida útil de las bombillas germicidas UV varía según el diseño. Además, el material del que están hechas puede absorber parte de los rayos germicidas. La refrigeración de la lámpara mediante flujo de aire también puede reducir la emisión de UV. La dosis de UV debe calcularse utilizando el final de la vida útil de la lámpara (EOL, por sus siglas en inglés), que se especifica en número de horas en las que se espera que la lámpara alcance el 80 % de su emisión inicial de UV. Algunas lámparas irrompibles están recubiertas con un polímero de etileno fluorado para contener los fragmentos de vidrio y el mercurio en caso de rotura; este recubrimiento reduce la emisión de UV hasta en un 20 %.

La intensidad de la fuente UV a veces se especifica como irradiancia a una distancia de 1 metro, que se puede convertir fácilmente a intensidad radiante . La intensidad UV es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, por lo que disminuye a distancias mayores. Por el contrario, aumenta rápidamente a distancias menores de 1  m. En la fórmula anterior, la intensidad UV siempre debe ajustarse a la distancia, a menos que la dosis UV se calcule exactamente a 1 m (3,3 pies) de la lámpara. La dosis UV debe calcularse a la distancia más alejada de la lámpara en la periferia del área objetivo. Se pueden lograr aumentos en la fluencia mediante la reflexión, de modo que la misma luz atraviese el medio varias veces antes de ser absorbida. El aluminio tiene la tasa de reflectividad más alta en comparación con otros metales y se recomienda para el uso de UV. [ 78 ]  

En aplicaciones estáticas, el tiempo de exposición puede ser tan prolongado como sea necesario para alcanzar una dosis efectiva de UV. En la desinfección con flujo de agua o aire, el tiempo de exposición puede incrementarse aumentando el volumen iluminado, disminuyendo la velocidad del fluido o recirculando el aire o el agua repetidamente a través de la sección iluminada. Esto garantiza múltiples pasadas, de modo que la luz UV sea efectiva contra la mayor cantidad de microorganismos e irradie los microorganismos resistentes más de una vez para eliminarlos.

Inactivación de microorganismos

Gráfico que compara la sensibilidad de E. coli a los rayos UV con la de un LED UV a 265 nm.
Curva de eficacia germicida de un LED UVC que emite a 265  nm en comparación con la de E. coli . [ 75 ] : figura 5.5

Los microbios son más susceptibles a ciertas longitudes de onda de luz UV, una función denominada curva de eficacia germicida. La curva para E. coli se muestra en la figura, donde la luz UV más eficaz tiene una longitud de onda de 265  nm. Esto se aplica a la mayoría de las bacterias y no varía significativamente para otros microbios. Las dosis para lograr una tasa de eliminación del 90 % de la mayoría de las bacterias y virus oscilan entre 2000 y 8000  μJ/cm² . Los parásitos de mayor tamaño, como Cryptosporidium , requieren una dosis menor para su inactivación. Por consiguiente, la EPA de EE. UU. ha aceptado la desinfección UV como método para que las plantas de agua potable obtengan créditos de inactivación de Cryptosporidium , Giardia o virus. Por ejemplo, para una reducción del 90 % de Cryptosporidium , se requiere una dosis mínima de 2500  μW·s/cm² según el manual de orientación de la EPA de 2006. [ 70 ] : 1–7

El término « esterilización » se suele citar erróneamente como factible. Si bien es teóricamente posible en un entorno controlado, es muy difícil de demostrar, y las empresas que ofrecen este servicio suelen usar el término «desinfección» para evitar problemas legales. Las empresas especializadas suelen anunciar una reducción logarítmica específica , por ejemplo, una reducción de 6 logaritmos o una eficacia del 99,9999 %, en lugar de la esterilización. Esto se debe a un fenómeno conocido como reparación por luz y por oscuridad ( fotorreactivación y reparación por escisión de bases , respectivamente), mediante el cual una célula puede reparar el ADN dañado por la luz ultravioleta.

Seguridad

La advertencia sobre radiación óptica se aplica a los dispositivos que emiten luz ultravioleta.

Seguridad para la piel y los ojos

Muchos sistemas UVGI utilizan longitudes de onda UV que pueden ser perjudiciales para los seres humanos, lo que provoca efectos tanto inmediatos como a largo plazo. Los impactos agudos en los ojos y la piel pueden incluir afecciones como la fotoqueratitis (a menudo denominada "ceguera de la nieve") y el eritema (enrojecimiento de la piel), mientras que la exposición crónica puede aumentar el riesgo de cáncer de piel . [ 12 ] [ 13 ] [ 79 ]

Sin embargo, la seguridad y los efectos de la radiación UV varían ampliamente según la longitud de onda, lo que implica que no todos los sistemas UVGI presentan el mismo nivel de riesgo. Los seres humanos suelen estar expuestos a la luz UV en forma de radiación solar UV, que comprende una proporción significativa de UV-A y UV-B , pero excluye la UV-C . La banda UV-B, capaz de penetrar profundamente en los tejidos vivos en replicación, se reconoce como la más dañina y carcinogénica . [ 80 ]

Muchos sistemas UVGI estándar, como las lámparas de mercurio de baja presión (LP-Hg), producen emisiones de banda ancha en el rango UV-C y también picos en la banda UV-B. Esto a menudo dificulta atribuir efectos dañinos a una longitud de onda específica. [ 81 ] Sin embargo, las longitudes de onda más largas en la banda UV-C pueden causar afecciones como fotoqueratitis y eritema. [ 22 ] [ 82 ] Por lo tanto, muchos sistemas UVGI se utilizan en entornos donde la exposición humana directa es limitada, como con purificadores de aire UVGI para la parte superior de las habitaciones y sistemas de desinfección de agua.

Se suelen implementar precauciones para proteger a los usuarios de estos sistemas UVGI, entre las que se incluyen:

  • Etiquetas de advertencia : Las etiquetas alertan a los usuarios sobre los peligros de la luz ultravioleta.
  • Sistemas de enclavamiento : Los sistemas blindados, como los depósitos de agua cerrados o las unidades de circulación de aire, suelen contar con sistemas de enclavamiento que apagan automáticamente las lámparas UV si se abre el sistema para el acceso de personas. También existen ventanas transparentes que bloquean la radiación UV-C.
  • Equipo de protección personal : La mayoría de las gafas de protección, en particular las que cumplen con la norma ANSI Z87.1, bloquean los rayos UV-C. Del mismo modo, la ropa, los plásticos y la mayoría de los tipos de vidrio (excepto la sílice fundida) impiden eficazmente la radiación UV-C.

Desde principios de la década de 2010 ha habido un creciente interés en las longitudes de onda de UVC lejano de 200-235  nm para la exposición de habitaciones completas. Estas longitudes de onda generalmente se consideran más seguras debido a su limitada profundidad de penetración causada por una mayor absorción de proteínas . [ 83 ] [ 84 ] Esta característica confina la exposición a UVC lejano a las capas superficiales del tejido , como la capa externa de piel muerta (el estrato córneo ) y la película lagrimal y las células superficiales de la córnea . [ 22 ] [ 85 ] [ 86 ] [ 87 ] Como estos tejidos no contienen células en replicación, el daño a ellos representa un menor riesgo carcinogénico. También se ha demostrado que el UVC lejano no causa eritema ni daño a la córnea en niveles muchas veces superiores a los de la radiación UV solar o  los sistemas UVGI convencionales de 254 nm. [ 88 ] [ 89 ] [ 22 ]

Límites de exposición

Los límites de exposición a la radiación UV, en particular al rango germicida UV-C, han evolucionado con el tiempo debido a la investigación científica y los avances tecnológicos. La Conferencia Americana de Higienistas Industriales Gubernamentales (ACGIH) y la Comisión Internacional de Protección contra las Radiaciones No Ionizantes (ICNIRP) han establecido límites de exposición para proteger contra los efectos inmediatos y a largo plazo de la exposición a la radiación UV. [ 90 ] [ 91 ] Estos límites, también conocidos como Valores Límite Umbral (TLV), constituyen la base de los límites de emisión en las normas de seguridad de los productos.

La banda espectral fotobiológica UV-C se define entre 100 y 280  nm, con límites que actualmente solo se aplican entre 180 y 280  nm. Esto refleja la preocupación por los daños agudos, como el eritema y la fotoqueratitis, así como por los efectos retardados a largo plazo, como la fotocarcinogénesis . Sin embargo, con la creciente evidencia de seguridad de la UV-C para aplicaciones germicidas, los TLV existentes de la ACGIH se revisaron en 2022. [ 92 ]

Los TLV para la  longitud de onda UV-C de 222 nm (emisiones máximas de lámparas de excímero KrCl), tras la revisión de 2022, son ahora de 161 mJ/cm² para la exposición ocular y de 479 mJ/cm² para la exposición cutánea durante un período de ocho horas. [ 93 ] Para la  longitud de onda UV de 254 nm, el límite de exposición actualizado se establece ahora en 6 mJ/cm² para los ojos y en 10 mJ/cm² para la piel. [ 93 ]

Química del aire interior

La radiación UV puede influir en la química del aire interior, lo que lleva a la formación de ozono y otros contaminantes potencialmente dañinos , incluida la contaminación por partículas . [ 94 ] Esto ocurre principalmente a través de la fotólisis , donde los fotones UV rompen las moléculas en radicales más pequeños que forman radicales como el OH. [ 95 ] Los radicales pueden reaccionar con compuestos orgánicos volátiles (COV) para producir COV oxidados (COVO) y aerosoles orgánicos secundarios (AOS). [ 96 ]

Las longitudes de onda inferiores a 242  nm también pueden generar ozono, que no solo contribuye a la formación de OVOC y SOA, sino que también puede ser perjudicial por sí mismo. Cuando se inhalan en grandes cantidades, estos contaminantes pueden irritar los ojos y el sistema respiratorio y agravar afecciones como el asma . [ 97 ]

Los contaminantes específicos producidos dependen de la composición química inicial del aire y de la potencia y longitud de onda de la fuente UV. Para controlar el ozono y otros contaminantes del aire interior, se utilizan métodos de ventilación y filtración que diluyen los contaminantes presentes en el aire y mantienen la calidad del aire interior. [ 94 ]

Daños en el polímero

La radiación UVC puede romper enlaces químicos. Esto provoca un envejecimiento acelerado de plásticos y otros materiales, así como de aislamientos y juntas . Los plásticos que se venden como "resistentes a los rayos UV" solo se prueban para la radiación UVB de menor energía, ya que la radiación UVC normalmente no llega a la superficie terrestre. [ 98 ] Cuando se utiliza radiación UVC cerca de plástico, caucho o aislamiento, estos materiales pueden protegerse con cinta metálica o papel de aluminio.

Aplicaciones

Desinfección del aire

La irradiación ultravioleta germicida (UVGI) puede utilizarse para desinfectar el aire mediante una exposición prolongada. En las décadas de 1930 y 1940, un experimento realizado en escuelas públicas de Filadelfia demostró que las lámparas ultravioleta instaladas en la parte superior de las aulas podían reducir significativamente la transmisión del sarampión entre los estudiantes. [ 99 ]

La luz ultravioleta y violeta es capaz de neutralizar la infectividad del SARS-CoV-2 . [ 100 ] Los títulos virales que se encuentran habitualmente en el esputo de los pacientes con COVID-19 se inactivan completamente con niveles de irradiación UV-A y UV-B similares a los que se experimentan con la exposición solar natural . Este hallazgo sugiere que la menor incidencia de SARS-CoV-2 en verano puede deberse, en parte, a la actividad neutralizante de la radiación UV solar. [ 100 ]

Se pueden utilizar diversos dispositivos emisores de luz ultravioleta para la desinfección del SARS-CoV-2, y estos dispositivos pueden ayudar a reducir la propagación de la infección. [ 101 ] El SARS-CoV-2 puede inactivarse mediante una amplia gama de longitudes de onda UVC, y la longitud de onda de 222  nm proporciona el rendimiento de desinfección más eficaz. [ 101 ]

La desinfección depende de la intensidad y el tiempo de exposición a la luz UV. Por esta razón, en teoría no es tan eficaz en aire en movimiento, o cuando la lámpara es perpendicular al flujo, ya que los tiempos de exposición se reducen drásticamente. Sin embargo, numerosas publicaciones profesionales y científicas han indicado que la eficacia general de la desinfección UVGI aumenta cuando se utiliza junto con ventiladores y sistemas de ventilación HVAC, que facilitan la circulación en toda la habitación y exponen más aire a la fuente UV. [ 102 ] [ 103 ] Los sistemas de purificación de aire UVGI pueden ser unidades independientes con lámparas UV protegidas que utilizan un ventilador para forzar el paso del aire a través de la luz UV. Otros sistemas se instalan en sistemas de aire forzado para que la circulación en las instalaciones mueva los microorganismos más allá de las lámparas. La clave de esta forma de esterilización es la ubicación de las lámparas UV y un buen sistema de filtración para eliminar los microorganismos muertos. [ 104 ] Por ejemplo, los sistemas de aire forzado, por diseño, impiden la línea de visión, creando así áreas del entorno que estarán a la sombra de la luz UV. Sin embargo, una lámpara UV colocada en las serpentinas y bandejas de drenaje de los sistemas de refrigeración evitará la formación de microorganismos en estos lugares naturalmente húmedos. [ 105 ]

Desinfección del agua

Lámpara portátil de descarga de vapor de mercurio de baja presión, alimentada por batería, para la esterilización de agua.
Modelo seccionado de una unidad de desinfección UV utilizada en plantas de tratamiento de agua.

La desinfección ultravioleta del agua es un proceso puramente físico y libre de químicos. Incluso parásitos como Cryptosporidium o Giardia , que son extremadamente resistentes a los desinfectantes químicos, se reducen eficazmente. La luz ultravioleta también se puede utilizar para eliminar el cloro y las cloraminas del agua; este proceso se llama fotólisis y requiere una dosis mayor que la desinfección normal. Los microorganismos muertos no se eliminan del agua. La desinfección ultravioleta no elimina los compuestos orgánicos disueltos, los compuestos inorgánicos ni las partículas presentes en el agua. [ 106 ] La planta de desinfección de agua más grande del mundo trata el agua potable de la ciudad de Nueva York . La planta de desinfección ultravioleta de agua de Catskill-Delaware , puesta en marcha el 8 de octubre de 2013, incorpora un total de 56 reactores UV de alta eficiencia energética que tratan hasta 2200 millones de galones estadounidenses (8300 millones de litros) al día. [ 107 ] [ 108 ]  

La luz ultravioleta también se puede combinar con ozono o peróxido de hidrógeno para producir radicales hidroxilo que descomponen los contaminantes traza mediante un proceso de oxidación avanzada .

Antes se creía que la desinfección UV era más eficaz para bacterias y virus, que tienen material genético más expuesto, que para patógenos más grandes que tienen recubrimientos externos o que forman estados quísticos (por ejemplo, Giardia ) que protegen su ADN de la luz UV. Sin embargo, recientemente se descubrió que la radiación ultravioleta puede ser algo eficaz para tratar el microorganismo Cryptosporidium . Estos hallazgos dieron lugar al uso de la radiación UV como un método viable para tratar el agua potable. A su vez, se ha demostrado que Giardia es muy susceptible a la UV-C cuando las pruebas se basaron en la infectividad en lugar de la excistación. [ 109 ] Se ha descubierto que los protistas pueden sobrevivir a altas dosis de UV-C, pero se esterilizan a bajas dosis.

Los dispositivos de tratamiento de agua UV se pueden utilizar para desinfectar agua de pozo y agua superficial. El tratamiento UV ofrece ventajas con respecto a otros sistemas de desinfección de agua en términos de costo, mano de obra y necesidad de personal técnico capacitado para su operación. La cloración del agua trata los organismos más grandes y ofrece desinfección residual, pero estos sistemas son costosos debido a que requieren capacitación especializada para el operador y un suministro constante de un material potencialmente peligroso. Finalmente, hervir el agua es el método de tratamiento más confiable, pero requiere mano de obra y supone un alto costo económico. El tratamiento UV es rápido y, en términos de consumo de energía primaria, aproximadamente 20 000 veces más eficiente que la ebullición.

La desinfección UV es más eficaz para tratar agua destilada purificada por ósmosis inversa de alta claridad . Las partículas en suspensión son un problema porque los microorganismos incrustados en ellas están protegidos de la luz UV y pasan a través de la unidad sin verse afectados. Sin embargo, los sistemas UV se pueden acoplar con un prefiltro para eliminar los organismos más grandes que, de otro modo, pasarían a través del sistema UV sin verse afectados. El prefiltro también clarifica el agua para mejorar la transmitancia de la luz y, por lo tanto, la dosis de UV en toda la columna de agua. Otro factor clave del tratamiento de agua UV es el caudal: si el caudal es demasiado alto, el agua pasará sin suficiente exposición a la luz UV. Si el caudal es demasiado bajo, puede acumularse calor y dañar la lámpara UV. [ 110 ] Una desventaja de la UVGI es que, si bien el agua tratada por cloración es resistente a la reinfección (hasta que se libera el cloro), el agua UVGI no lo es. El agua UVGI debe transportarse o entregarse de manera que se evite la reinfección.

Un proyecto de 2006 en la Universidad de California, Berkeley, produjo un diseño para la desinfección económica del agua en entornos con recursos limitados. [ 111 ] El proyecto se diseñó para producir un diseño de código abierto que pudiera adaptarse a las condiciones locales. En una propuesta similar de 2014, estudiantes australianos diseñaron un sistema que utiliza el papel de aluminio de las bolsas de patatas fritas para reflejar la radiación UV solar en un tubo de vidrio que desinfecta el agua sin necesidad de electricidad. [ 112 ]

Modelado

El dimensionamiento de un sistema UV se ve afectado por tres variables: caudal, potencia de la lámpara y transmitancia UV en el agua. Los fabricantes suelen desarrollar sofisticados modelos de dinámica de fluidos computacional (CFD) validados mediante bioensayos . Esto implica evaluar el rendimiento de desinfección del reactor UV con bacteriófagos MS2 o T1 a diferentes caudales, niveles de transmitancia UV y potencia para desarrollar un modelo de regresión que permita dimensionar el sistema. Por ejemplo, este es un requisito para todos los sistemas públicos de agua potable en Estados Unidos, según el manual UV de la EPA. [ 70 ] : 5–2

El perfil de flujo se obtiene a partir de la geometría de la cámara, el caudal y el modelo de turbulencia seleccionado. El perfil de radiación se desarrolla a partir de parámetros como la calidad del agua, el tipo de lámpara (potencia, eficacia germicida, emisión espectral, longitud de arco) y la transmitancia y dimensión del tubo de cuarzo. Un software CFD propietario simula tanto el perfil de flujo como el de radiación. Una vez construido el modelo 3D de la cámara, se rellena con una cuadrícula o malla compuesta por miles de pequeños cubos.

Los puntos de interés, como las curvas, la superficie del manguito de cuarzo o el mecanismo de limpieza, utilizan una malla de mayor resolución, mientras que otras áreas del reactor emplean una malla más gruesa. Una vez generada la malla, se "disparan" cientos de miles de partículas virtuales a través de la cámara. Cada partícula tiene asociadas varias variables de interés y se "recolectan" después del reactor. El modelado de fase discreta genera la dosis administrada, la pérdida de carga y otros parámetros específicos de la cámara.

Una vez completada la fase de modelado, los sistemas seleccionados se validan mediante un tercero profesional que supervisa el proceso y determina la precisión con la que el modelo predice el rendimiento real del sistema. La validación del sistema utiliza sustitutos no patógenos, como el fago MS2 o Bacillus subtilis, para determinar la capacidad de dosis equivalente de reducción (RED) de los reactores. La mayoría de los sistemas se validan para suministrar 40  mJ/cm² dentro de un rango de flujo y transmitancia. [ 113 ]

Para validar la eficacia en sistemas de agua potable, las empresas de suministro de agua de EE. UU. suelen utilizar el método descrito en el manual de orientación sobre UV, mientras que Europa ha adoptado la norma alemana DVGW 294. Para sistemas de aguas residuales, se suelen utilizar los protocolos de las Directrices de desinfección ultravioleta para agua potable y reutilización de agua del NWRI/AwwaRF, especialmente en aplicaciones de reutilización de aguas residuales . [ 114 ]

Tratamiento de aguas residuales

El tratamiento ultravioleta de aguas residuales está reemplazando cada vez más a la cloración. Esto se debe en gran parte a la preocupación de que la reacción del cloro con los compuestos orgánicos presentes en las aguas residuales pueda sintetizar compuestos orgánicos clorados potencialmente tóxicos y persistentes , así como a los riesgos ambientales que implica el almacenamiento de cloro gaseoso o productos químicos que lo contengan. Es necesario analizar cada flujo de aguas residuales que se vaya a tratar mediante irradiación ultravioleta germicida (UVGI) para garantizar la eficacia del método, debido a posibles interferencias como sólidos en suspensión , colorantes u otras sustancias que puedan bloquear o absorber la radiación UV. Según la Organización Mundial de la Salud , «se estima que las unidades UV para tratar pequeños lotes (de 1 a varios litros) o caudales bajos (de 1 a varios litros por minuto) de agua a nivel comunitario tienen un coste de 20 dólares estadounidenses por megalitro, incluyendo el coste de la electricidad y los consumibles, así como el coste de capital anualizado de la unidad». [ 115 ]

El tratamiento de aguas residuales urbanas a gran escala mediante luz ultravioleta se lleva a cabo en ciudades como Edmonton, Alberta . El uso de luz ultravioleta se ha convertido en una práctica habitual en la mayoría de los procesos municipales de tratamiento de aguas residuales. Los efluentes comienzan a reconocerse como un recurso valioso, no como un problema que debe eliminarse. Muchas plantas de tratamiento de aguas residuales están siendo reconvertidas en plantas de recuperación de agua, ya sea que las aguas residuales se descarguen en un río, se utilicen para irrigar cultivos o se inyecten en un acuífero para su posterior recuperación. La luz ultravioleta se utiliza ahora para garantizar que el agua esté libre de organismos dañinos.

Acuario y estanque

Los esterilizadores ultravioleta se utilizan con frecuencia para controlar microorganismos no deseados en acuarios y estanques. La irradiación UV impide la reproducción de patógenos, reduciendo así la probabilidad de un brote de enfermedad en el acuario.

Los esterilizadores para acuarios y estanques suelen ser pequeños, con conexiones para tuberías que permiten que el agua fluya a través del esterilizador desde un filtro externo o una bomba de agua. Dentro del esterilizador, el agua fluye lo más cerca posible de la fuente de luz ultravioleta. La prefiltración del agua es fundamental, ya que la turbidez reduce la penetración de la luz UV-C. Muchos de los mejores esterilizadores UV tienen tiempos de exposición prolongados y limitan el espacio entre la fuente de luz UV-C y la pared interior del dispositivo. [ 116 ]

Higiene de laboratorio

La desinfección con luz ultravioleta germicida ( UVGI) se utiliza frecuentemente para desinfectar equipos como gafas de seguridad , instrumentos, pipetas y otros dispositivos. El personal de laboratorio también desinfecta de esta manera material de vidrio y plástico. Los laboratorios de microbiología utilizan UVGI para desinfectar las superficies dentro de las cabinas de seguridad biológica (campanas extractoras) entre usos.

Protección de alimentos y bebidas

Desde que la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE. UU. (FDA) emitió una norma en 2001 que exige que prácticamente todos los productores de zumos de frutas y verduras sigan los controles HACCP y que impone una reducción de 5 logaritmos en los patógenos, la desinfección ultravioleta germicida (UVGI) se ha utilizado en cierta medida para la esterilización de zumos como los recién exprimidos.

Fuentes de rayos UV

Gráfico que compara la lámpara de baja presión con la lámpara de presión media y la curva de eficacia germicida.
Comparación de la curva de eficacia germicida de lámparas de vapor de mercurio de baja y media presión frente a E. coli . [ 75 ] : fig 2.1

lámparas de vapor de mercurio

Una lámpara germicida de 9 W con formato de lámpara fluorescente compacta.

La luz ultravioleta germicida para desinfección se genera generalmente mediante una lámpara de vapor de mercurio . El vapor de mercurio a baja presión presenta una fuerte línea de emisión a 254  nm, que se encuentra dentro del rango de longitudes de onda que demuestran un fuerte efecto desinfectante. Las longitudes de onda óptimas para la desinfección se sitúan cerca de los 260  nm. [ 70 ] : 2–6, 2–14

Las lámparas de vapor de mercurio se pueden clasificar como de baja presión (incluidas las de amalgama) o de presión media. Las lámparas UV de baja presión ofrecen alta eficiencia (aprox. 35 % UV-C) pero menor potencia, típicamente 1  W/cm de densidad de potencia (potencia por unidad de longitud de arco). Las lámparas UV de amalgama utilizan una amalgama para controlar la presión del mercurio y permitir el funcionamiento a una temperatura y densidad de potencia algo mayores. Funcionan a temperaturas más altas y tienen una vida útil de hasta 16 000 horas. Su eficiencia es ligeramente inferior a la de las lámparas tradicionales de baja presión (aprox. 33 % de emisión UV-C), y la densidad de potencia es de aproximadamente 2-3  W/cm³ . Las lámparas UV de presión media funcionan a temperaturas mucho más altas, hasta unos 800 grados Celsius, y tienen un espectro de salida policromático y una alta emisión de radiación, pero una eficiencia UV-C menor, del 10 % o menos. La densidad de potencia típica es de 30  W/cm³ o superior.

Dependiendo del vidrio de cuarzo utilizado para el cuerpo de la lámpara, las lámparas UV de baja presión y de amalgama emiten radiación a 254  nm y también a 185  nm, la cual tiene efectos químicos. La radiación UV a 185  nm se utiliza para generar ozono.

Las lámparas UV para el tratamiento de agua consisten en lámparas especializadas de vapor de mercurio de baja presión que producen radiación ultravioleta a 254  nm, o lámparas UV de presión media que producen una emisión policromática desde 200  nm hasta energía visible e infrarroja. La lámpara UV nunca entra en contacto con el agua; está alojada en una funda de vidrio de cuarzo dentro de la cámara de agua o montada externamente al agua, que fluye a través del tubo UV transparente. El agua que pasa por la cámara de flujo se expone a los rayos UV, que son absorbidos por los sólidos en suspensión, como microorganismos y suciedad, presentes en la corriente. [ 117 ]

LEDs

Opciones compactas y versátiles con LED UV-C.

Los recientes avances en la tecnología LED han dado lugar a la disponibilidad comercial de LED UV-C. Los LED UV-C utilizan semiconductores para emitir luz entre 255  nm y 280  nm. [ 74 ] La longitud de onda de emisión se puede ajustar modificando el material del semiconductor. A partir de 2019La eficiencia de conversión eléctrica a UV-C de los LED fue menor que la de las lámparas de mercurio. El tamaño reducido de los LED abre opciones para sistemas de reactores pequeños que permiten aplicaciones en el punto de uso e integración en dispositivos médicos. [ 118 ] El bajo consumo de energía de los semiconductores ha permitido que los sistemas de desinfección UV alimentados por pequeñas células solares se implementen en regiones remotas o con recursos limitados. [ 118 ]

Los LED UV-C no necesariamente duran más que las lámparas germicidas tradicionales en términos de horas de uso, sino que presentan características de ingeniería más variables y una mayor tolerancia al funcionamiento a corto plazo. Un LED UV-C puede alcanzar un tiempo de instalación mayor que una lámpara germicida tradicional en uso intermitente. Asimismo, la degradación de los LED aumenta con el calor, mientras que la longitud de onda de salida de las lámparas de filamento y HID depende de la temperatura, por lo que los ingenieros pueden diseñar LED de un tamaño y coste específicos para que tengan una mayor potencia y una degradación más rápida, o una menor potencia y una disminución más lenta con el tiempo.

Véase también

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