Anwendung der UV-C-LED-Technologie im Luftsterilisator: Sterilisation und Geruchsentfernung

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.

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.

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.

3.1 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.

Tabelle 2 Sterilisatorrate Müllraum.

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

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.

[1] Sierra-Vargas, MP und LM Teran, Luftverschmutzung: Auswirkungen und Prävention. Respirology: offizielle Zeitschrift der Asian Pacific Society of Respirology, 2012. 17(7): p. 1031-1038.

[2] Rabaan AA, ASAM, Luftübertragung von SARS-CoV-2Die Luftübertragung von SARS-CoV-2 ist der vorherrschende Übertragungsweg: Tröpfchen und Aerosole. Infez Med, 2021. 29(1):10-19.

[3] Lu Song, JZCW, Luftgetragene pathogene Mikroorganismen und Entwicklung von Luftreinigungstechnologien: Ein Überblick. 2022, Journal of Hazardous Materials,: Journal of Hazardous Materials.

[4] NG, R., Die Geschichte der ultravioletten keimtötenden Bestrahlung für Luftsterilisatoren. Berichte zur öffentlichen Gesundheit, 2010. 125(1): p. 15-27.

[5] Bintsis T, LERR, Bestehende und potenzielle Anwendungen von ultraviolettem Licht in der Lebensmittelindustrie – eine kritische Überprüfung. 2000.

[6] Yaun BR, SSEJ, Marcy JE. Hemmung von Krankheitserregern auf frischen Produkten durch ultraviolette Energie. 2004.

[7] Glaab J, LNCH, Hauttolerante Inaktivierung multiresistenter Krankheitserreger mithilfe von Fern-UVC-LEDs. 2021.

[8] Singh D., SARV, Bewertung der SARS-CoV-2-Ersatzinaktivierung auf Oberflächen und in der Luft mithilfe UV- und blaulichtbasierter Interventionstechnologien. 2023.

[9] Gerchman, Y., et al., UV-LED-Sterilisator des Coronavirus: Wellenlängeneffekt. Journal of Photochemistry and Photobiology, B. Biology: Amtsblatt der Europäischen Gesellschaft für Photobiologie, 2020. 212{Ausgabe}:: p. 112044-1-112044-7.

[10] Kohs J, LTGC, Studies on the Virucidal Effects of UV-C of 233 nm and 275 nm Wavelengths.. 2024.

[11] MacIsaac, SA, et al., Verbesserte Sterilisatorleistung für 280-nm-LEDs gegenüber 254-nm-Niederdruck-UV-Lampen in kommunalem Abwasser. Wissenschaftliche Berichte, 2023. 13(1).

[12] Shafa Muhammad, FMAE, Studie zur UV-C-LED-Technologie für Luftsterilisatoren in Innenräumen: Eine wirksame quecksilber- und ozonfreie Methode zur Bestrahlung von Mikroorg anismen in der Luft. 2024, Association for Computing Machinery, New York, NY, USA.

[13] Foster, HA, et al., Photokatalytischer Sterilisator unter Verwendung von Titandioxid: Spektrum und Mechanismus der antimikrobiellen Aktivität. Angewandte Mikrobiologie und Biotechnologie, 2011. 90(6): S. 1847-1868.

[14] Chen CF, HCCY, Efficac y of HEPA Air Cleaner on Im provin g Indoor Particulate Matter 2.5 Concentration. 2022.