Irradiación germicida ultravioleta

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Un tubo de descarga de mercurio de baja presión inunda el interior de un gabinete de bioseguridad con luz UV de onda corta cuando no está en uso, matando microbios en 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 a los microbios dañando su material genético, inhibiendo así su capacidad de llevar a cabo funciones vitales.

El uso de la luz ultravioleta inducida por radiación (UVGI) se extiende a una variedad de aplicaciones, que abarcan la desinfección de alimentos, superficies, aire y agua. Los dispositivos UVGI pueden inactivar microorganismos, incluidas bacterias, virus, hongos, mohos y otros patógenos. Estudios recientes han confirmado la capacidad de la luz UV-C para inactivar el SARS-CoV-2, la cepa del coronavirus que causa la COVID-19.

Las longitudes de onda de la radiación ultravioleta C demuestran una eficacia germicida y unos efectos variados sobre el tejido biológico. Muchas lámparas germicidas, como las lámparas de mercurio de baja presión (LP-Hg), con emisiones máximas de alrededor de 254 nm, contienen longitudes de onda ultravioleta que pueden resultar peligrosas para los seres humanos. Como resultado, los sistemas UVGI se han limitado principalmente a aplicaciones en las que las personas no están expuestas directamente, incluida la desinfección de superficies en hospitales, la radiación ultravioleta en habitaciones superiores y el tratamiento del agua. 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 del aire. Estas longitudes de onda se consideran mucho más seguras debido a su penetración significativamente reducida en el tejido humano.

Cabe destacar que la luz ultravioleta C está prácticamente ausente en la luz solar que llega a la superficie de la Tierra debido a las propiedades absorbentes de la capa de ozono dentro de la atmósfera.

Historia

Origen de la acción germicida UV

El desarrollo de la radiación ultravioleta inducida por luz (UVGI) se remonta a 1878, cuando Arthur Downes y Thomas Blunt descubrieron que la luz solar, en particular sus longitudes de onda más cortas, obstaculizaba el crecimiento microbiano. Ampliando este trabajo, Émile Duclaux, en 1885, identificó variaciones en la sensibilidad a la luz solar entre diferentes especies bacterianas. Unos años más tarde, en 1890, Robert Koch demostró el efecto letal de la luz solar sobre Mycobacterium tuberculosis, lo que insinuó el potencial de la radiación ultravioleta inducida por luz para combatir enfermedades como la tuberculosis.

Estudios posteriores definieron con más detalle las longitudes de onda más eficaces para la inactivación germicida. En 1892, se observó que el segmento UV de la luz solar tenía el efecto bactericida más potente. Las 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.

Los efectos mutagénicos de la radiación ultravioleta se dieron a conocer por primera vez en un estudio de 1914 en el que se observaron cambios metabólicos en Bacillus anthracis tras la exposición a dosis subletales de radiación ultravioleta. A finales de la década de 1920, Frederick Gates ofreció los primeros espectros de acción bactericida cuantitativos para Staphylococcus aureus y Bacillus coli, y observó que la eficacia máxima se alcanzaba a 265 nm. Esto coincidía con el espectro de absorción de los ácidos nucleicos, lo que indicaba que el daño del ADN era el factor clave en la inactivación bacteriana. Esta comprensión se consolidó en la década de 1960 a través de investigaciones que demostraban la capacidad de la radiación ultravioleta C para formar dímeros de timina, lo que conduce a la inactivación microbiana. Estos primeros hallazgos sentaron las bases para la radiación ultravioleta moderna como herramienta de desinfección.

UVGI para la desinfección de aire

El uso de la radiación ultravioleta para la desinfección del aire comenzó a mediados de la década de 1930. En 1935, William F. Wells demostró que los organismos infecciosos transmitidos por el aire, en concreto la B. coli en aerosol expuesta a la radiación ultravioleta de 254 nm, podían inactivarse rápidamente. Esto se basó en teorías anteriores sobre la transmisión infecciosa por núcleos de gotitas propuestas por Carl Flügge y el propio Wells. Antes de esto, la radiación ultravioleta 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, en 1936 se empleó la radiación ultravioleta infrarroja de alta intensidad para desinfectar el quirófano de un hospital de la Universidad de Duke. El método resultó un éxito, ya que redujo las infecciones de heridas posoperatorias del 11,62 % sin el uso de la radiación ultravioleta infrarroja al 0,24 % con el uso de la radiación ultravioleta infrarroja. Pronto, este enfoque se extendió a otros hospitales y salas de neonatos mediante el uso de "cortinas de luz" ultravioleta infrarrojas, diseñadas para prevenir infecciones respiratorias cruzadas, con un éxito notable.

Los ajustes en la aplicación de la radiación ultravioleta inducida por luz (UVGI) hicieron que se pasara de las "cortinas de luz" a la radiación ultravioleta inducida por luz (UVGI) en las habitaciones superiores, confinando la irradiación germicida por encima del nivel de la cabeza humana. A pesar de su dependencia de un buen movimiento vertical del aire, este enfoque produjo resultados favorables en la prevención de infecciones cruzadas. Un ejemplo de ello fue el uso exitoso que hizo Wells de la radiación ultravioleta inducida por luz (UVGI) en las habitaciones superiores entre 1937 y 1941 para reducir la propagación del sarampión en las escuelas diurnas de los suburbios de Filadelfia. Su estudio descubrió 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.

Richard L. Riley, inicialmente alumno de Wells, continuó el estudio de las infecciones transmitidas por el aire y la radiación ultravioleta infrarroja durante los años 50 y 60, y realizó experimentos importantes en una sala de tuberculosis del Hospital de Veteranos. Riley demostró con éxito que la radiación ultravioleta infrarroja podía inactivar eficazmente los patógenos transmitidos por el aire y prevenir la propagación de la tuberculosis.

A pesar de los éxitos iniciales, el uso de la radiación ultravioleta disminuyó en la segunda mitad del siglo XX debido a diversos factores, entre ellos el aumento de métodos alternativos de control y prevención de infecciones, resultados de eficacia inconsistentes y preocupaciones sobre su seguridad y requisitos de mantenimiento. Sin embargo, eventos recientes como el aumento de bacterias resistentes a múltiples fármacos y la pandemia de COVID-19 han renovado el interés en la radiación ultravioleta para la desinfección del aire.

UVGI para tratamiento de agua

El uso de luz ultravioleta para la desinfección del agua potable se remonta a 1910 en Marsella, Francia. La planta prototipo se cerró al poco tiempo debido a su poca fiabilidad. En 1955, se aplicaron sistemas de tratamiento de agua por luz ultravioleta en Austria y Suiza; en 1985, se utilizaban unas 1.500 plantas en Europa. En 1998 se descubrió que los protozoos como el cryptosporidium y la giardia eran más vulnerables a la luz ultravioleta de lo que se creía anteriormente; esto abrió el camino al uso a gran escala del tratamiento de agua por luz ultravioleta en América del Norte. En 2001, más de 6.000 plantas de tratamiento de agua por luz ultravioleta estaban en funcionamiento en Europa.

Con el tiempo, los costos de la radiación ultravioleta han disminuido a medida que los investigadores desarrollan y utilizan nuevos métodos ultravioleta para desinfectar el agua y las aguas residuales. Varios países han publicado regulaciones y pautas para el uso de la radiación ultravioleta para desinfectar los suministros de agua potable, incluidos los EE. UU. y el Reino Unido.

Método de funcionamiento

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

  • Las lámparas basadas en mercurio que operan a baja presión de vapor emiten luz UV en la línea 253.7 nm.
  • Las lámparas de diodo de emisión de luz ultravioleta emiten luz UV a longitudes de onda seleccionables entre 255 y 280 nm.
  • Las lámparas Pulsed-xenon emiten luz UV a través de todo el espectro UV con una emisión de pico cerca de 230 nm.

Este proceso es similar, pero más intenso, al efecto de las longitudes de onda más largas (UV-B) que producen quemaduras solares en los seres 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 aire forzado a rayos ultravioleta germicidas. La exposición se produce mediante lámparas germicidas que emiten rayos ultravioleta germicidas en la longitud de onda correcta, irradiando así el entorno. El flujo forzado de aire o agua a través de este entorno garantiza la exposición de ese aire o agua.

Eficacia

La eficacia de la luz ultravioleta germicida depende de la dosis de luz ultravioleta, es decir, de la cantidad de luz ultravioleta que llega al microbio (medida como exposición radiante) y de la susceptibilidad del microbio a las longitudes de onda de luz ultravioleta dadas, definidas por la curva de eficacia germicida.

UV Dose

La dosis de UV se mide en energía luminosa 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 UV (μJ/cm2) Intensidad UV (μW/cm2) × tiempo de exposición (segundos)

Asimismo, la irradiancia depende del brillo (intensidad radiante, W/sr) de la fuente de rayos ultravioleta, la distancia entre la fuente de rayos ultravioleta y el microbio, la atenuación de los filtros (p. ej., vidrio sucio) en el camino de la luz, la atenuación del medio (p. ej., microbios en agua turbia), la presencia de partículas u objetos que puedan proteger a los microbios de los rayos ultravioleta y la presencia de reflectores que puedan dirigir la misma luz ultravioleta a través del medio varias veces. Además, si los microbios no fluyen libremente, como en una biopelícula, se bloquearán entre sí y no recibirán la irradiación.

La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) publicó en 1986 pautas sobre la dosis de rayos ultravioleta para aplicaciones de tratamiento de agua. Es difícil medir la dosis de rayos ultravioleta directamente, pero también se puede estimar a partir de:

  • Tasa de flujo (tiempo de contacto)
  • Transmittance (light reaching the target)
  • Turbidity (cloudiness)
  • Edad de la lámpara o fouling o outages (reducción en intensidad UV)

Las bombillas requieren una limpieza y un reemplazo periódicos para garantizar su eficacia. La vida útil de las bombillas UV germicidas varía según el diseño. Además, el material del que está hecha la bombilla puede absorber algunos de los rayos germicidas. El enfriamiento de la lámpara bajo el flujo de aire también puede reducir la emisión de rayos UV. La dosis de rayos UV debe calcularse utilizando el final de la vida útil de la lámpara (el EOL se especifica en número de horas cuando se espera que la lámpara alcance el 80% de su emisión de rayos UV inicial). 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 rayos UV hasta en un 20%.

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

En aplicaciones estáticas, el tiempo de exposición puede ser tan largo como sea necesario para alcanzar una dosis de UV efectiva. En la desinfección con flujo de agua o aire, el tiempo de exposición se puede aumentar incrementando 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 para que la UV sea efectiva contra la mayor cantidad de microorganismos e irradie los microorganismos resistentes más de una vez para descomponerlos.

Inactivación de microorganismos

Chart comparing E. coli UV sensitivity to UV LED at 265 nm
UVC LED emitiendo 265 nm en comparación con E. coli Curva de eficacia germicida.

Los microbios son más susceptibles a ciertas longitudes de onda de la luz ultravioleta, una función llamada curva de eficacia germicida. La curva para E. coli se muestra en la figura, donde la luz ultravioleta más eficaz tiene una longitud de onda de 265 nm. Esto se aplica a la mayoría de las bacterias y no cambia significativamente para otros microbios. Las dosis para una tasa de eliminación del 90% de la mayoría de las bacterias y virus varían entre 2000 y 8000 μJ/cm2. Los parásitos más grandes, como Cryptosporidium, requieren una dosis menor para su inactivación. Como resultado, la EPA de EE. UU. ha aceptado la desinfección con luz ultravioleta como un 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.

A menudo se considera erróneamente que la "esterilización" es posible. Si bien es teóricamente posible en un entorno controlado, es muy difícil de demostrar y las empresas que ofrecen este servicio suelen utilizar el término "desinfección" para evitar una reprimenda legal. Las empresas especializadas suelen anunciar una determinada reducción logarítmica, por ejemplo, una reducción de 6 logaritmos o una eficacia del 99,9999 %, en lugar de la esterilización. Esto tiene en cuenta un fenómeno conocido como reparación por luz y oscuridad (fotorreactivación y reparación por escisión de bases, respectivamente), en el que una célula puede reparar el ADN que ha sido dañado por la luz ultravioleta.

Seguridad

Advertencia para la radiación óptica aplica a dispositivos que emiten luz UV.

Skin and eye safety

Muchos sistemas UVGI utilizan longitudes de onda ultravioleta que pueden ser nocivas para los seres humanos y producir efectos inmediatos y a largo plazo. Los efectos agudos en los ojos y la piel pueden incluir afecciones como fotoqueratitis (a menudo denominada "ceguera de la nieve") y eritema (enrojecimiento de la piel), mientras que la exposición crónica puede aumentar el riesgo de cáncer de piel.

Sin embargo, la seguridad y los efectos de los rayos UV varían ampliamente según la longitud de onda, lo que implica que no todos los sistemas UVGI plantean el mismo nivel de peligros. Los seres humanos suelen encontrarse con la luz UV en forma de rayos UV solares, que comprenden porciones significativas de rayos UV-A y UV-B, pero excluyen los rayos UV-C. La banda UV-B, capaz de penetrar profundamente en el tejido vivo y replicante, se reconoce como la más dañina y cancerígena.

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 hace que sea difícil atribuir efectos dañinos a una longitud de onda específica. Sin embargo, las longitudes de onda más largas en la banda UV-C pueden causar afecciones como fotoqueratitis y eritema. Por lo tanto, muchos sistemas UVGI se utilizan en entornos donde la exposición humana directa es limitada, como con purificadores de aire UVGI de habitaciones superiores y sistemas de desinfección de agua.

Se suelen tomar precauciones para proteger a los usuarios de estos sistemas UVGI, entre ellas:

  • Etiquetas de advertencia: Las etiquetas alertan a los usuarios sobre los peligros de la luz UV.
  • Sistemas de bloqueo: Sistemas blindados, como tanques de agua cerrados o unidades de circulación de aire, a menudo tienen interbloqueos que apagan automáticamente las lámparas UV si el sistema se abre para el acceso humano. Vistas claras que bloquean UV-C también están disponibles.
  • Equipo de protección personal: La mayoría de las gafas protectoras, en particular las que cumplen con ANSI Z87.1, bloquean UV-C. De manera similar, la ropa, los plásticos y la mayoría de los tipos de vidrio (excluyendo la silica fusionada) impiden efectivamente la UV-C.

Desde principios de la década de 2010, ha habido un creciente interés en las longitudes de onda de 200 a 235 nm de la radiación ultravioleta lejana para la exposición de toda la habitación. Estas longitudes de onda se consideran generalmente más seguras debido a su limitada profundidad de penetración causada por una mayor absorción de proteínas. Esta característica limita la exposición a la radiación ultravioleta lejana a las capas superficiales de tejido, como la capa externa de piel muerta (el estrato córneo) y la película lagrimal y las células superficiales de la córnea. Como estos tejidos no contienen células replicantes, el daño que sufran supone un menor riesgo cancerígeno. También se ha demostrado que la radiación ultravioleta lejana no causa eritema ni daño a la córnea a niveles muchas veces superiores a los de la radiación solar UV o los sistemas UVGI convencionales de 254 nm.

Límites de exposición

Los límites de exposición a los rayos UV, en particular a la gama germicida UV-C, han evolucionado con el tiempo debido a la investigación científica y a los cambios tecnológicos. La Conferencia Estadounidense de Higienistas Industriales Gubernamentales (ACGIH) y la Comisión Internacional de Protección contra Radiaciones No Ionizantes (ICNIRP) han establecido límites de exposición para protegerse de los efectos inmediatos y a largo plazo de la exposición a los rayos UV. Estos límites, también denominados valores límite umbral (TLV), forman la base de los límites de emisión en las normas de seguridad de los productos.

La banda espectral fotobiológica de la radiación UV-C se define como de 100 a 280 nm, y actualmente los límites se aplican solo entre 180 y 280 nm. Esto refleja las preocupaciones sobre los daños agudos, como el eritema y la fotoqueratitis, así como los efectos retardados a largo plazo, como la fotocarcinogénesis. Sin embargo, con la mayor evidencia de seguridad en torno a la radiación UV-C para aplicaciones germicidas, los valores límite de umbral (TLV) de la ACGIH existentes se revisaron en 2022.

Los TLV para la longitud de onda UV-C de 222 nm (emisiones máximas de las lámparas excimer de KrCl), tras la revisión de 2022, son ahora 161 mJ/cm2 para la exposición ocular y 479 mJ/cm2 para la exposición cutánea durante un período de ocho horas. 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 10 mJ/cm2 para la piel.

Química de aire interior

Los rayos ultravioleta pueden influir en la química del aire interior, lo que provoca la formación de ozono y otros contaminantes potencialmente nocivos, incluida la contaminación por partículas. Esto ocurre principalmente a través de la fotólisis, donde los fotones ultravioleta rompen las moléculas en radicales más pequeños que forman radicales como el OH. Los radicales pueden reaccionar con compuestos orgánicos volátiles (COV) para producir COV oxidados (COVO) y aerosoles orgánicos secundarios (AOS).

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

Los contaminantes específicos producidos dependen de la química inicial del aire y de la potencia y longitud de onda de la fuente de rayos ultravioleta. Para controlar el ozono y otros contaminantes en interiores, se utilizan métodos de ventilación y filtración, que diluyen los contaminantes transportados por el aire y mantienen la calidad del aire en interiores.

Daño al polímero

La radiación UVC puede romper enlaces químicos, lo que provoca un envejecimiento rápido de los plásticos y otros materiales, así como de los aislantes y juntas. Los plásticos que se venden como "resistentes a los rayos UV" se prueban solo para detectar la radiación UVB de menor energía, ya que los rayos UVC normalmente no llegan a la superficie de la Tierra. Cuando se utilizan rayos UV cerca de plásticos, caucho o aislantes, estos materiales pueden protegerse con cinta metálica o papel de aluminio.

Aplicaciones

Desinfección del aire

La radiación ultravioleta puede utilizarse para desinfectar el aire tras una exposición prolongada. En los años 30 y 40, un experimento en escuelas públicas de Filadelfia demostró que las lámparas ultravioletas instaladas en las aulas superiores podían reducir significativamente la transmisión del sarampión entre los estudiantes.

La luz ultravioleta y la luz violeta pueden neutralizar la infectividad del SARS-CoV-2. Los títulos virales que se encuentran habitualmente en el esputo de los pacientes con COVID-19 se inactivan por completo con niveles de radiación UV-A y UV-B similares a los que se experimentan con la exposición natural al sol. Este hallazgo sugiere que la menor incidencia del SARS-COV-2 en verano puede deberse, en parte, a la actividad neutralizadora de la radiación solar UV.

Se pueden utilizar varios dispositivos emisores de rayos ultravioleta para la desinfección del SARS-CoV-2, y estos dispositivos pueden ayudar a reducir la propagación de la infección. El SARS-CoV-2 se puede inactivar mediante una amplia gama de longitudes de onda de rayos ultravioleta C, y la longitud de onda de 222 nm proporciona el rendimiento de desinfección más eficaz.

La desinfección es una función de la intensidad de los rayos UV y del tiempo. Por este motivo, en teoría no es tan eficaz en el aire en movimiento o cuando la lámpara está 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 UVGI en realidad aumenta cuando se utiliza junto con ventiladores y ventilación HVAC, que facilitan la circulación por toda la habitación y exponen más aire a la fuente de rayos UV. 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 de modo que la circulación de 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. 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 bobinas y las bandejas de drenaje de los sistemas de refrigeración evitará que se formen microorganismos en estos lugares naturalmente húmedos.

Desinfección de agua

Lámpara de descarga portátil de vapor de mercurio de baja presión para esterilización de agua
Modelo de corte de la unidad de desinfección UV utilizado en plantas de tratamiento de agua

La desinfección ultravioleta del agua es un proceso puramente físico, sin productos químicos. Incluso los parásitos como Cryptosporidium o Giardia, que son extremadamente resistentes a los desinfectantes químicos, se reducen de manera eficiente. La luz ultravioleta también se puede utilizar para eliminar especies de cloro y cloramina del agua; este proceso se llama fotólisis y requiere una dosis más alta que la desinfección normal. Los microorganismos muertos no se eliminan del agua. La desinfección ultravioleta no elimina los compuestos orgánicos disueltos, los compuestos inorgánicos o las partículas en el agua. La planta de desinfección de agua más grande del mundo trata el agua potable para la ciudad de Nueva York. La planta de desinfección ultravioleta de agua de Catskill-Delaware, puesta en servicio el 8 de octubre de 2013, incorpora un total de 56 reactores ultravioleta de bajo consumo que tratan hasta 2.200 millones de galones estadounidenses (8.300 millones de litros) al día.

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

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

Los dispositivos de tratamiento de agua por UV se pueden utilizar para la desinfección de agua de pozo y de superficie. El tratamiento por UV se compara favorablemente con otros sistemas de desinfección de agua en términos de costo, mano de obra y la necesidad de personal capacitado técnicamente para su operación. La cloración del agua trata organismos más grandes y ofrece una desinfección residual, pero estos sistemas son caros porque requieren una capacitación especial del operador y un suministro constante de un material potencialmente peligroso. Finalmente, hervir el agua es el método de tratamiento más confiable, pero exige mano de obra e impone un alto costo económico. El tratamiento por UV es rápido y, en términos de uso de energía primaria, aproximadamente 20.000 veces más eficiente que hervirla.

La desinfección por UV es más eficaz para tratar agua destilada por ósmosis inversa purificada y de alta claridad. Las partículas suspendidas son un problema porque los microorganismos enterrados 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 combinar 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 transmisión de la luz y, por lo tanto, la dosis de UV en toda la columna de agua. Otro factor clave del tratamiento de agua por UV es el caudal: si el caudal es demasiado alto, el agua pasará sin suficiente exposición a los rayos UV. Si el caudal es demasiado bajo, se puede acumular calor y dañar la lámpara UV. Una desventaja de la desinfección por UV es que, mientras que el agua tratada por cloración es resistente a la reinfección (hasta que se libera el cloro), el agua tratada por UV no es resistente a la reinfección. El agua tratada por UV debe transportarse o entregarse de manera que se evite la reinfección.

Un proyecto de 2006 de la Universidad de California, Berkeley, produjo un diseño para la desinfección económica del agua en entornos con escasez de recursos. El proyecto fue diseñado 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 utilizaba papel de aluminio para paquetes de papas fritas para reflejar la radiación ultravioleta solar en un tubo de vidrio que desinfecta el agua sin energía eléctrica.

Modelado

El dimensionamiento de un sistema UV se ve afectado por tres variables: caudal, potencia de la lámpara y transmitancia de UV en el agua. Los fabricantes normalmente desarrollan sofisticados modelos de dinámica de fluidos computacional (CFD) validados con pruebas de bioensayo. Esto implica probar el rendimiento de desinfección del reactor UV con bacteriófagos MS2 o T1 a distintos caudales, transmitancia de UV y niveles de potencia para desarrollar un modelo de regresión para el dimensionamiento del sistema. Por ejemplo, este es un requisito para todos los sistemas públicos de agua en los Estados Unidos según el manual de UV de la EPA.

El perfil de flujo se genera a partir de la geometría de la cámara, el caudal y el modelo de turbulencia particular seleccionado. El perfil de radiación se desarrolla a partir de datos como la calidad del agua, el tipo de lámpara (potencia, eficiencia germicida, salida espectral, longitud del arco) y la transmitancia y dimensión de la manga de cuarzo. El software de CFD patentado simula tanto los perfiles de flujo como de radiación. Una vez que se construye el modelo 3D de la cámara, se completa con una cuadrícula o malla que comprende miles de cubos pequeños.

Los puntos de interés, como en una curva, en la superficie de la manga de cuarzo o alrededor del mecanismo limpiador, utilizan una malla de mayor resolución, mientras que otras áreas dentro del reactor utilizan una malla gruesa. Una vez que se produce la malla, cientos de miles de partículas virtuales se "disparan" a través de la cámara. Cada partícula tiene varias variables de interés asociadas a ella, y las partículas se "recolectan" después del reactor. El modelado de fase discreta produce dosis administrada, pérdida de carga y otros parámetros específicos de la cámara.

Cuando se completa la fase de modelado, los sistemas seleccionados se validan con la ayuda de un tercero profesional que supervisa y determina con qué precisión el modelo puede predecir la realidad del rendimiento del sistema. La validación del sistema utiliza sustitutos no patógenos, como el fago MS 2 o el Bacillus subtilis, para determinar la capacidad de dosis equivalente de reducción (RED) de los reactores. La mayoría de los sistemas están validados para suministrar 40 mJ/cm2 dentro de un rango de flujo y transmitancia.

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

Tratamiento de aguas residuales

La luz ultravioleta en el tratamiento de aguas residuales está sustituyendo a la cloración. Esto se debe en gran parte a las preocupaciones de que la reacción del cloro con los compuestos orgánicos en la corriente de aguas residuales podría sintetizar compuestos orgánicos clorados potencialmente tóxicos y de larga duración y también a los riesgos ambientales de almacenar gas de cloro o productos químicos que contienen cloro. Las corrientes de desechos individuales que se tratarán con UVGI deben probarse para garantizar que el método sea eficaz debido a posibles interferencias como sólidos suspendidos, tintes u otras sustancias que pueden bloquear o absorber la radiación UV. Según la Organización Mundial de la Salud, "se estima que las unidades UV para tratar lotes pequeños (de 1 a varios litros) o flujos bajos (de 1 a varios litros por minuto) de agua a nivel comunitario tienen un costo de US$20 por megalitro, incluido el costo de la electricidad y los consumibles y el costo de capital anualizado de la unidad".

En ciudades como Edmonton, Alberta, se realizan tratamientos de aguas residuales urbanas a gran escala con luz ultravioleta. El uso de luz ultravioleta se ha convertido en una práctica estándar en la mayoría de los procesos de tratamiento de aguas residuales municipales. Ahora se está empezando a reconocer que los efluentes son un recurso valioso, no un problema que se debe eliminar. Muchas instalaciones de tratamiento de aguas residuales están pasando a denominarse instalaciones de recuperación de agua, ya sea que las aguas residuales se descarguen en un río, se utilicen para regar cultivos o se inyecten en un acuífero para su posterior recuperación. Ahora se utiliza luz ultravioleta para garantizar que el agua esté libre de organismos nocivos.

Acuario y estanque

Los esterilizadores ultravioleta se utilizan a menudo para ayudar a controlar los microorganismos no deseados en acuarios y estanques. La radiación ultravioleta garantiza que los patógenos no puedan reproducirse, lo que reduce la probabilidad de que se produzca un brote de enfermedades en un acuario.

Los esterilizadores para acuarios y estanques suelen ser pequeños y tienen conexiones para tubos que permiten que el agua fluya a través del esterilizador en su camino desde un filtro externo o una bomba de agua independientes. 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 del agua reduce la penetración de la luz UV-C. Muchos de los mejores esterilizadores UV tienen tiempos de permanencia prolongados y limitan el espacio entre la fuente de luz UV-C y la pared interior del dispositivo esterilizador UV.

Higiene de laboratorio

La radiación ultravioleta infrarroja (UVGI, por sus siglas en inglés) se utiliza a menudo para desinfectar equipos como gafas de seguridad, instrumentos, pipetas y otros dispositivos. El personal de laboratorio también desinfecta el material de vidrio y plástico de esta manera. Los laboratorios de microbiología utilizan la radiación ultravioleta infrarroja para desinfectar las superficies dentro de los gabinetes de seguridad biológica ("campanas") entre usos.

Protección de alimentos y bebidas

Desde que la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos emitió una norma en 2001 que exige que prácticamente todos los productores de jugos de frutas y verduras sigan los controles HACCP y exige una reducción de 5 log en los patógenos, la UVGI ha tenido cierto uso en la esterilización de jugos como el recién exprimido.

Fuentes UV

Chart comparing low pressure lamp to medium pressure lamp and the germicidal effectiveness curve
Lámpara de mercurio de presión media bajo en comparación con E. coli Curva de eficacia germicida.

Lámparas de vapor mercurio

A 9 W lámpara germicidal en un factor de forma de lámpara fluorescente compacto

La luz ultravioleta germicida para la desinfección se genera normalmente mediante una lámpara de vapor de mercurio. El vapor de mercurio a baja presión tiene una línea de emisión fuerte 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 están cerca de los 260 nm.

Las lámparas de vapor de mercurio se pueden clasificar como lámparas de baja presión (incluidas las de amalgama) o de presión media. Las lámparas UV de baja presión ofrecen una alta eficiencia (aproximadamente un 35 % de UV-C) pero una menor potencia, normalmente una densidad de potencia de 1 W/cm (potencia por unidad de longitud de arco). Las lámparas UV de amalgama utilizan una amalgama para controlar la presión del mercurio y permitir su funcionamiento a una temperatura y una densidad de potencia algo más altas. 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 (aproximadamente un 33 % de salida de 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, de hasta unos 800 grados Celsius, y tienen un espectro de salida policromático y una alta salida de radiación, pero una menor eficiencia de UV-C del 10 % o menos. La densidad de potencia típica es de 30 W/cm3 o mayor.

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

Las lámparas UV para el tratamiento del agua consisten en lámparas de vapor de mercurio de baja presión especializadas que producen radiación ultravioleta a 254 nm, o lámparas UV de presión media que producen una emisión policromática de 200 nm a 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 a través de la cámara de flujo está expuesta a los rayos UV, que son absorbidos por los sólidos suspendidos, como microorganismos y suciedad, en la corriente.

LEDs

Opciones compactas y versátiles con LED UV-C

Los recientes avances en la tecnología LED han dado lugar a la comercialización de LED UV-C. Los LED UV-C utilizan semiconductores para emitir luz entre 255 nm y 280 nm. La emisión de longitud de onda se puede ajustar ajustando el material del semiconductor. En 2019, la eficiencia de conversión de electricidad a UV-C de los LED era inferior a 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. El bajo consumo de energía de los semiconductores introduce sistemas de desinfección UV que utilizan pequeñas células solares en aplicaciones remotas o del Tercer Mundo.

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

Véase también

  • Filtro HEPA
  • Depuración de agua portátil
  • Saneamiento
  • Procedimientos de funcionamiento estándar de saneamiento
  • Desinfección de agua solar

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