Abstrakt:
Luftsterilisatoren erfreuen sich auf dem Markt großer Beliebtheit, ihre Funktionalität ist jedoch weiterhin auf einzelne Zwecke wie Desinfektion oder Geruchsbeseitigung beschränkt. Der UV-C-Luftsterilisator Q6060-D von MassPhoton nutzt Festkörper-Halbleitertechnologie mit UV-C-LEDs, die ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von 260–280 nm aussenden und ein breites Spektrum von Mikroorganismen durch Blockierung der DNA- und RNA-Replikation inaktivieren können. Der Q6060-D UV-C-Luftsterilisator von MassPhoton wurde an der Decke von Besprechungsräumen, Müllräumen und Fluren in einem normal betriebenen Einkaufszentrum in Hongkong installiert und erreichte eine Sterilisationsrate von 70,8 % im Müllraum und 61,62 % im Besprechungsraum. Obwohl während des Geruchsentfernungstests Wandstreicharbeiten in einem gemieteten Ladengeschäft die TVOC-Werte deutlich erhöhten, reduzierte der Einsatz des MASSPHOTON-Luftsterilisators den anfänglichen TVOC-Wert innerhalb von 2 Stunden von 10,00 mg/m³ auf 3,53 mg/m³. In einem simulierten Test, der in einem 112 m³ großen Raum durchgeführt wurde, wurde der Q6060-D UV-C-Luftsterilisator des MassPhoton sofort aktiviert, nachdem vier Zigaretten vollständig verbrannt waren. Nach 4 Stunden war die PM2,5-Konzentration effektiv um 61,1 % und die TVOC-Konzentration um 98,2 % reduziert. Unter Verwendung einer 10 %igen Ammoniaklösung als Test für flüchtiges Ammoniakgas erreichte die Ammoniakentfernungsrate innerhalb von 90 Minuten 99,9 %. Basierend auf allen experimentellen Ergebnissen kann der Schluss gezogen werden, dass der Q6060-D UV-C-Luftsterilisator von MassPhoton die Anzahl natürlicher Bakterien in der Luft effektiv reduzieren kann, während er gleichzeitig Partikel in der Umgebung adsorbiert, Geruchsmoleküle zersetzt, die Luftreinheit und -frische aufrechterhält, die Ausbreitung von Atemwegserkrankungen verhindert und gefährdete Bevölkerungsgruppen schützt.
Schlüsselwörter: UV-C-LED, natürliche Bakterien, Photokatalysator, ozonfrei, Infektionskontrolle und -prävention
1. Einführung
Luftverschmutzung hat erhebliche Auswirkungen auf verschiedene Aspekte unseres Lebens, einschließlich unserer Lebens-, Lern- und Arbeitsumgebung. Schadstoffe wie flüchtige organische Verbindungen, Feinstaub und Krankheitserreger beeinträchtigen die Gesundheit der Atemwege und des Nervensystems, während Gerüche aus der Gärung von Lebensmittelabfällen, Toilettengerüche und Zigarettenrauch die Stimmung negativ beeinflussen. Forschung von Sierra-Varga et al. fanden heraus, dass sich Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 2,5 Mikrometern (PM2,5) im Alveolarbereich der Lunge ablagern [1]. Krankheitserreger hingegen schweben in zwei Formen in der Luft: Tröpfchen (Durchmesser >5 μm) und Aerosole (Durchmesser ≤5 μm), die Krankheiten über die Atemwege verbreiten können. Insbesondere Aerosolpartikel können in geschlossenen Räumen Stunden bis Tage überleben und über die Atemwege in den menschlichen Körper gelangen und dort Infektionen verursachen [2]. Diese Übertragungseigenschaft wurde bei den jüngsten Epidemien vollständig nachgewiesen, was Luftsterilisatoren zu einer wichtigen technologischen Lösung zur Unterbrechung der Übertragungskette macht. Luftsterilisatoren haben ein großes Potenzial bei der Vorbeugung und Reduzierung von durch die Luft übertragenen Krankheiten gezeigt [3]. Gängige Luftsterilisatoren auf dem Markt nutzen hauptsächlich die Ultraviolett-(UV)-Technologie als Sterilisator. Der Einsatz von UV-Licht für Sterilisatoren hat eine jahrzehntelange Geschichte [4]. UVC-Licht mit einer Wellenlänge von 100–280 nm inaktiviert ein breites Spektrum an Mikroorganismen, darunter Viren, Bakterien, Protozoen, Pilze, Hefen und Algen, indem es Pyrimidin-Dimere – Photoprodukte des genetischen Materials – bildet, die die DNA- und RNA-Replikation blockieren [5, 6]. Die herkömmliche UV-Bestrahlungstechnologie verwendet jedoch eine Wellenlänge von 254 nm, was Nachteile wie die Verwendung von giftigem Quecksilber, die große Gerätegröße und die Ozonproduktion mit sich bringt [7]. Im Gegensatz dazu sind UV-C-LEDs, die bei 275 nm emittieren, kleiner, bieten eine höhere optische Leistung, eliminieren das Risiko einer Quecksilberverschmutzung [8] und haben eine längere Lebensdauer von bis zu 25.000 Stunden, was 2 bis 25 Mal länger ist als die von 254-nm-Quecksilberdampflampen [9, 10]. Diese Studie konzentriert sich auf die Sterilisationswirksamkeit von Luftsterilisatoren, die UV-C-LED-Technologie zur Luftreinigung in Innenräumen verwenden, und überwacht gleichzeitig die Entfernung spezifischer Gerüche, die sich auf die Gesundheit, das Wohlbefinden und den Komfort des Menschen auswirken. Die Forschung zeigt umfassend das erhebliche Potenzial der UV-C-LED-Technologie bei der Kontrolle und Vorbeugung von durch die Luft übertragenen Infektionen und schließt gleichzeitig die Lücke bei der Verbesserung der Luftfrische für solche Geräte.
2. Materialien und Methoden
2.1 Materialien
Die in dieser Studie verwendete Ausrüstung ist der UV-C-Luftsterilisator Q6060-D von MassPhoton, der von MASSPHOTON unabhängig entwickelt und hergestellt wurde. Durch die Kraft des Lüfters gelangt natürliche Luft durch das kleine Loch in der Mitte der Frontabdeckung in das Gerät. Während die Luft durch den HEPA-Filter strömt, werden Partikel in der Luft daran adsorbiert, was den ersten Schritt der Reinigung darstellt. Die gefilterte Luft gelangt dann in das UV-C-LED-Modul, wo sie zur Sterilisation ultraviolettem Licht ausgesetzt wird, was den zweiten Schritt der Sterilisation darstellt. Die sterilisierte Luft gelangt dann zum Photokatalysatormodul, wo der Photokatalysator durch sichtbares Licht aktiviert wird und eine photokatalytische Reaktion auslöst, die Geruchsmoleküle aus der Luft entfernt. Dies ist der dritte Schritt der Geruchsbeseitigung. Nach diesen drei Prozessen – Reinigung, Sterilisation und Geruchsbeseitigung – wird die Frischluft durch die Poren rund um die Frontabdeckung des Geräts entlang des Luftkanals in den Raum abgegeben.
Abbildung 1 Die in dieser Studie verwendete UV-C-Luftsterilisationseinheit Q6060-D von MassPhoton: 1 – vordere Abdeckung, 2 – Beleuchtungspanel – stark UV-reflektierender Luftkanal, 3 – HEPA-Lüfterhalterung, 4 – UV-C-LED, 5 – Steuermodul, 6 – Photokatalysator, 7 – hintere Abdeckung, 8 – Lüftermodul, 9 – Lüftungskanal.
2.2 Methoden
Die Probenahmemethode und die Berechnungsformel beziehen sich für die Probenahme auf Anhang D von GB28235 – „Hygieneanforderungen für UV-Desinfektionsgeräte“. Diese Methode wird von der staatlichen Verwaltung für Marktregulierung und der Standardisierungsverwaltung der Volksrepublik China herausgegeben und dient als nationaler Standard der Volksrepublik China. Sie ist professioneller und wissenschaftlicher.
3. Ergebnisse und Diskussionen
3.1 Sterilisationsrate
Ein UV-C-Luftsterilisator Q6060-D von MassPhoton wurde an der Decke eines Besprechungsraums im Untergeschoss 1 eines Einkaufszentrums in Hongkong installiert, um seine natürliche Bakterieneliminierungsrate zu testen. Der Besprechungsraum wird von Montag bis Freitag von 8:30 bis 11:30 Uhr von Mitarbeitern des Einkaufszentrums genutzt. Um eine Kontrollgruppe zu etablieren, wurde die Anzahl der in der Luft befindlichen Bakterienkolonien nach drei Tagen ohne Betrieb gemessen. Die Daten der Versuchsgruppe wurden nach drei aufeinanderfolgenden Betriebstagen gesammelt. Sowohl vor als auch nach den Besprechungen wurden Proben entnommen, um die Sterilisationswirksamkeit des Geräts bei kontinuierlicher Raumnutzung zu vergleichen. Die Ergebnisse zeigten eine durchschnittliche Eliminationsrate von 59,5 % vor der Morgenbesprechung (8:30 Uhr) und 63,7 % nach kontinuierlicher Anwendung den ganzen Morgen über (11:30 Uhr). Dies bedeutet eine durchschnittliche Eliminierungsrate von 61,6 % während der Besprechungsstunden bei kontinuierlichem Betrieb des Geräts (wie in Tabelle 1 dargestellt).
Wie in Abbildung 2 dargestellt, die das Kulturmedium darstellt, ist nach dem Einschalten des UV-C-Luftsterilisators Q6060-D von MassPhoton deutlich eine deutliche Reduzierung natürlicher Luftbakterien zu erkennen. Dies zeigt die Wirksamkeit des Geräts bei der Reduzierung des Risikos der Krankheitsübertragung in überfüllten Umgebungen.
Abbildung 2 Beispiel für Petrischalen-Ergebnisse im Vergleich, wenn der Luftsterilisator ausgeschaltet ist und nachdem der UV-C-Luftsterilisator Q6060-D von MassPhoton eingeschaltet ist.
In einem Müllraum im zweiten Stock eines Einkaufszentrums in Hongkong wurde eine Bewertung der Desinfektionswirksamkeit des MassPhoton Q6060-D UV-C-Luftdesinfektionsmittels gegen in der Umgebungsluft befindliche Bakterien durchgeführt. Unter Berücksichtigung des nicht festgelegten Belegungsmusters des Raums wurde die Grundzahl der in der Luft befindlichen Bakterienkolonien erfasst, bevor der UV-C-Luftsterilisator Q6060-D von MassPhoton als Kontrollgruppe eingeschaltet wurde. Nach 3 Stunden Betrieb wurde die Anzahl der luftgetragenen Bakterienkolonien erneut als Versuchsgruppe gemessen. Der Gehalt an in der Luft befindlichen Bakterien wurde vor und nach dem Betrieb des Geräts an fünf aufeinanderfolgenden Tagen gemessen. Die Ergebnisse zeigten eine durchschnittliche Bakterienreduktionsrate von 70,8 % (Tabelle 2).
Tabelle 2 Sterilisatorrate Müllraum.
Wie in Abbildung 3 dargestellt, zeigt die Darstellung der Bakterienkolonien in der Kulturschale auch eine deutliche Verringerung der Anzahl natürlicher Bakterien nach dem Betrieb des Geräts, wodurch das Wachstum natürlicher Bakterien im Müllraum effektiv kontrolliert und das Risiko einer Krankheitsinfektion für das Personal bei der Müllentsorgung verringert wird.
Abbildung 3. Beispiel für Petrischalen-Ergebnisse im Vergleich, wenn der Luftsterilisator ausgeschaltet ist und nachdem der UV-C-Luftsterilisator Q6060-D von MassPhoton eingeschaltet ist.
3.2 Geruchsentfernungsexperiment
Wählen Sie einen Korridor und die Decke über dem Müllraum im dritten Stock eines Einkaufszentrums in Hongkong, um 8 MASSPHOTON-Luftsterilisatoren zu installieren und die Wirksamkeit der Geruchsbeseitigung zu testen. Der Korridor ist mit mehreren Szenarien verbunden, darunter einer Bar, einer Hintertür zur Küche, einer Toilette und einem Geburtsraum. Nach dem Einschalten der Geräte wurden drei Tage lang kontinuierliche Messungen durchgeführt, um die Veränderungen in den Testdaten zu beobachten und zu analysieren. Die Luftsterilisatoren wurden um 8:00 Uhr eingeschaltet, was als 0 Stunden aufgezeichnet wurde, und die Zeit danach wurde akkumuliert.
Wie in Abbildung 3a dargestellt, begann die Renovierung eines gemieteten Geschäfts 7 Stunden nach Aktivierung der Luftsterilisatoren. Vor der Sanierung waren die gemessenen TVOC-Werte normal und zeigten einen abnehmenden Trend. Nach Beginn der Sanierung stiegen die TVOC-Werte jedoch von 0,01 mg/m³ auf 10,0 mg/m³ und es wurde ein starker Farbgeruch in der Luft festgestellt. Nach 10 Betriebsstunden wurde die TVOC-Konzentration erneut gemessen und festgestellt, dass sie auf 3,53 mg/m³ gesunken war, wobei der Farbgeruch deutlich reduziert war.
Drei Punkte wurden ausgewählt, um die PM2,5-Konzentration zu testen: der Eingang der Bar und des Geburtshauses, die Hintertür der Herrentoilette und der Küche sowie der Korridor. Es wurde festgestellt, dass die PM2,5-Konzentration vor Arbeitsbeginn unter 15 µg/m³ gehalten werden konnte. Mit steigender Personenzahl zeigte die PM2,5-Konzentration jedoch einen leichten Aufwärtstrend, der Betrieb der Luftsterilisatoren trug jedoch dazu bei, die PM2,5-Werte aufrechtzuerhalten und zunächst zu senken. Darüber hinaus wurde beobachtet, dass die Verwendung von Farbe während der Renovierung nahezu keinen Einfluss auf die PM2,5-Werte hatte (wie in Abbildung 3b dargestellt).
Abbildung 4. Entfernung von TVOC und PM2,5 durch die Luftsterilisationsmaschine MASSPHOTON.
Aus den Testergebnissen geht hervor, dass die gesamte TVOC-Konzentration und die PM2,5-Feinstaubkonzentration in der Umgebung innerhalb der Richtlinien der HK EPD- und WELL-Standards liegen. Allerdings kann der Einsatz des MASSPHOTON-Luftsterilisationsgeräts schädliche Gase und Partikel wirksam aus der Luft entfernen, die Luftqualität in Innenräumen aufrechterhalten und eine geeignetere Arbeits- und Einkaufsumgebung für Büroangestellte und Einkäufer schaffen.
3.3 Prüfung auf Ammoniak in Zigaretten
In einem geschlossenen Raum mit einem Volumen von 112 m³ innerhalb des Fabrikgeländes wurde an der Decke ein MASSPHOTON-Luftsterilisator installiert, um seine Wirksamkeit bei der Entfernung von PM2,5, Formaldehyd und TVOC nach dem Verbrennen von 4 Zigaretten sowie seine Fähigkeit zur Entfernung von Ammoniak nach 30-minütiger Verdampfung von 20 ml 10 %iger Ammoniaklösung zu testen.
Im Raum wurden gleichzeitig vier Zigaretten angezündet. Nachdem sie vollständig ausgebrannt waren, wurden die anfänglichen Konzentrationen von PM2,5, Formaldehyd und TVOC mit einem tragbaren Formaldehyd-Konzentrationsdetektor mit Werten von 3,6 µg/m³, 0,12 ppm bzw. 0,15 mg/m³ gemessen. Anschließend wurde die Luftsterilisationsmaschine eingeschaltet und 4 Stunden lang kontinuierlich betrieben. Nach diesem Zeitraum wurden die Konzentrationen erneut gemessen und zeigten, dass PM2,5 auf 14 µg/m³, Formaldehyd auf 0,01 ppm und TVOC auf 0,01 mg/m³ gesunken waren. Die Entfernungsraten betrugen 61,10 % für PM2,5, 87,50 % für Formaldehyd und 98,20 % für TVOC, wodurch die Menge an schädlichen Gasen und Partikeln im geschlossenen Raum wirksam reduziert wurde (wie in Tabelle 3 dargestellt).
Tabelle 3 Entfernung von Zigarettengeruch durch das UV-C-Luftsterilisationsgerät Q6060-D von MassPhoton.
Unter Verwendung von Ammoniakgas zur Simulation des Geruchs in einer Toilette wurden 20 ml einer 10 %igen Ammoniaklösung in zwei Petrischalen mit einem Durchmesser von 90 × 18 mm gegeben. Die Schalen wurden 30 Minuten lang offen gelassen, um eine natürliche Verdunstung zu ermöglichen, und die anfängliche NH₃-Konzentration wurde unter Verwendung eines tragbaren NH₃-Gasdetektors als Kontrollgruppe gemessen. Anschließend wurde der Luftsterilisator eingeschaltet und die Ammoniakkonzentration im Innenraum alle 10 Minuten getestet. Nach 90-minütigem Betrieb des Luftsterilisators sank die Ammoniakkonzentration von 4,5 ppm auf 0,2 ppm, was zu einer Ammoniakentfernungsrate von 95,5 % führte (wie in Tabelle 4 gezeigt).
Tabelle 4 Ammoniakentfernung durch den UV-C-Luftsterilisator Q6060-D von MassPhoton
4. Schlussfolgerung
Der Q6060-D UV-C-Luftsterilisator von MassPhoton nutzt Festkörper-Halbleitertechnologie [11], um UV-C-LED-Licht mit einer einzigen Wellenlänge von 260–280 nm zu emittieren. Vorläufige Experimente haben gezeigt, dass dieser Wellenlängenbereich weder Ozon erzeugt noch zu einem Austritt von ultraviolettem Licht führt [12]. Diese Technologie ist umweltfreundlicher, hat eine längere Lebensdauer und verbraucht weniger Energie [7, 13]. Basierend auf der Aufrechterhaltung einer hohen Sterilisationsrate für natürliche Bakterien verfügt die Version 2.0 über ein photokatalytisches Modul und einen HEPA-Filter (High-Efficiency Particulate Air). Bei Einwirkung von sichtbarem oder ultraviolettem Licht [13] aktiviert das photokatalytische Modul eine photokatalytische Reaktion auf der Oberfläche von TiO2 und erzeugt reaktive Sauerstoffspezies (ROS) wie Hydroxylradikale (OH-) und Superoxidradikale (O2-) [13]. Diese ROS verfügen über starke Oxidationsfähigkeiten und können organische Verbindungen zersetzen, wodurch Geruchsstoffe effektiv entfernt und abgebaut werden [12]. Der HEPA-Filter besteht aus extrem feinen, miteinander verwobenen Fasern mit sehr kleinen Abständen dazwischen, wodurch er kleinste Partikelschadstoffe in der Luft wirksam einfangen kann. Dies hilft, Feinstaub zu entfernen, die Luftqualität in Innenräumen zu verbessern [14] und die Ausbreitung von Krankheiten zu verhindern.
Der UV-C-Luftsterilisator Q6060-D von MassPhoton zeichnet sich durch einen quecksilberfreien, ozonfreien und ultravioletten Leckage-freien Betrieb sowie ein kompaktes und intelligentes Design aus. Es ermöglicht die Koexistenz von Mensch und Maschine, beseitigt Gerüche effizient und verfügt über ein IoT-Modul, das eine Echtzeitüberwachung der Raumluftqualität über eine mobile App ermöglicht. Es ist ein hervorragender Helfer zur Verbesserung der Lebensqualität in Umgebungen wie Häusern, Einkaufszentren und Büros. Zukünftig kann eine weitere Validierung der Wirksamkeit des UV-C-Luftsterilisators Q6060-D von MassPhoton in speziellen Umgebungen wie Krankenhäusern untersucht werden.
Referenzen
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Die Implementierung eines kommerziellen UVC-LED-Luftdesinfektionssystems erfordert eine sorgfältige Konstruktion, präzise UV-Dosisberechnungen und eine nahtlose HVAC-Integration, um eine Neutralisierung von Krankheitserregern in medizinischer Qualität zu erreichen. Dieser technische Leitfaden beschreibt die genauen Mechanismen der 265-nm-DNA/RNA-Inaktivierung, vergleicht Festkörperdioden mit herkömmlichen Quecksilberlampen und beschreibt Einsatzstrategien für Luftreiniger im Kanal, im Oberraum und für eigenständige Luftreiniger. Durch die Berücksichtigung von Implementierungsrealitäten wie Luftstromgeschwindigkeit, Staubschatten und Wärmemanagement können Facility Manager erfolgreich UVC-LED-Luftdesinfektionsanordnungen einsetzen, um eine nachhaltige, ozonfreie Raumluftqualität sicherzustellen.
Der Einsatz von Festkörper-UVC-LED-Wasserdesinfektionssystemen erfordert eine genaue Bewertung der Reaktorhydrodynamik, der Zielwellenlängen und der Quellwasserqualitätsvariablen wie der UV-Durchlässigkeit (UVT). Im Gegensatz zu zerbrechlichen, kontinuierlich brennenden Quecksilberlampen bieten Deep-UV-LEDs eine platzsparende Stellfläche und ein sofortiges Ein-/Ausschalten, das der realen Strömungsdynamik entspricht. Durch die Kopplung von Konstantstromtreibern mit robusten Wärmemanagement-Arrays können Anlagentechniker präzise keimtötende Dosen abgeben, um chlorresistente Krankheitserreger zu neutralisieren. Dieser technische Überblick bietet die Dimensionierungskriterien, Umsetzungsstrategien und Wege zur Einhaltung gesetzlicher Vorschriften, die zur Gewährleistung einer nachhaltigen, chemikalienfreien Biosicherheit erforderlich sind.
Die Integration der Festkörper-UVC-LED-Technologie in moderne Desinfektionsgeräte erfordert eine gründliche Analyse der Halbleitermechanik, der optischen Leistungsabgabe und des Wärmemanagements. AlGaN-basierte Dioden arbeiten im kritischen keimtötenden Bereich von 200–280 nm und zielen auf die absolute Spitzenabsorptionskurve von Pathogen-DNA und -RNA ab, um eine chemikalienfreie Reinigung zu ermöglichen. Durch die Abkehr von herkömmlichen Quecksilberdampflampen werden giftige Schwermetalle eliminiert, sofortige Einschaltzyklen eingeführt und Flexibilität bei der kompakten Bauweise geboten. Durch die Verwaltung der Sperrschichttemperaturen und die Implementierung robuster Treibersteuerungen können Ingenieure erfolgreich hocheffiziente UVC-LED-Systeme für eine zuverlässige Wasser-, Luft- und Oberflächenbehandlung einsetzen.
Die Wahl zwischen Festkörper-UVC-LED-Technologie und herkömmlichen Quecksilberdampf-UV-Lampen erfordert einen tiefen Einblick in die Betriebseffizienz, Lebensdauer und Sicherheitskonformität. Während herkömmliche UV-Lampen eine breite Spektrumabdeckung bieten, die für große kommunale Einsätze geeignet ist, liefern UVC-LEDs schmalbandige, einstellbare Wellenlängen (265–280 nm), die die keimtötende Wirksamkeit maximieren. Darüber hinaus verfügen Solid-State-Arrays über Instant-On-Funktionen, eliminieren das Risiko von giftigem Quecksilber und verringern den Wartungsaufwand. Diese technische Bewertung hilft Facility Managern und Ingenieuren, Implementierungsrisiken sicher zu mindern, die Wärmeableitung zu optimieren und erfolgreich auf eine nachhaltige, ozonfreie Ultraviolett-Infrastruktur umzusteigen.
