C'est le solvant le plus couramment utilisé dans n'importe quel environnement de laboratoire et, par conséquent, la qualité de cette eau est essentielle pour les expériences et les processus de base. Les purificateurs au point d'utilisation représentent désormais 75 % d'un marché mondial d'environ 480 millions de dollars pour l'eau de laboratoire ultrapure. Ces systèmes utilisent une combinaison de technologies, y compris la distillation, l'osmose inverse, l'ultrafiltration, la désionisation et la désinfection UV pour la création d'eau de type 1, 2 et 3 et vont des grands systèmes centralisés aux petites unités de polissage de paillasse.
Traditionnellement, ces systèmes utilisaient des lampes au mercure pour fournir de l'énergie UVC pour la désinfection. Aujourd'hui, les LED à ultraviolets profonds (UVC) apparaissent comme une technologie viable qui offre une alternative écologique compacte, économe en énergie. Puisqu'il ne s'agit pas d'un simple remplacement plug-and-play pour les systèmes à lampe, de nouvelles façons de calculer la puissance de sortie requise sont nécessaires. En comprenant l'impact de l'émission spectrale LED sur les spectres d'action des microbes, les ingénieurs peuvent développer des solutions de nouvelle génération pour produire de manière constante une eau de laboratoire de qualité supérieure.
Les LED UVC fournissent des longueurs d'onde germicides optimales
Dans la désinfection UV, la lumière dans la plage de 250 nm à 280 nm est la plus efficace pour inactiver l'ADN des micro-organismes. Les concepteurs de systèmes d'eau de laboratoire se sont généralement appuyés sur des lampes à arc au mercure à basse pression pour accéder à cette gamme germicide, qui émet une sortie unique à 253,7 nm. La figure 1 montre que la ligne d'émission de la lampe au mercure à basse pression coupe la courbe d'absorption d'ADN typique en dessous du pic d'absorption. Bien que ce ne soit pas la longueur d'onde germicide optimale, il y a une émission suffisante pour l'inactivation de l'ADN.
Comparaison des sources lumineuses.png; Légende : Comparaison spectrale d'une lampe au mercure à basse pression par rapport à une LED par rapport à la courbe d'absorption typique de l'ADN.
L'émission spectrale continue de la LED UVC offre plus de chevauchement des longueurs d'onde les plus critiques pour la désinfection, ce qui en fait une source d'énergie UVC plus efficace pour ces systèmes. Cependant, ces différences dans les spectres d'émission nécessitent une nouvelle méthodologie pour tenir compte de l'efficacité de la désinfection.
Détermination du pouvoir germicide des LED UVC
Les ingénieurs R&D et les concepteurs de produits évaluant les LED UVC ont besoin d'une approche systématique pour spécifier et comparer la puissance de désinfection utile. De la même manière que les lumens, la quantité totale de lumière visible émise par une source, fournissent une mesure universelle de la luminosité, la spécification la plus utile pour les applications de désinfection est basée sur l'identification de la puissance utile pour inactiver les agents pathogènes. C'est ce qu'on appelle le pouvoir germicide.
La méthode la plus précise pour spécifier le pouvoir germicide nécessite d'abord de connaître l'agent pathogène spécifique à inactiver, puis de déterminer son spectre d'action (c'est-à-dire le profil unique de sensibilité de l'agent pathogène par longueur d'onde). Le produit croisé de ce spectre avec les spectres d'émission de la source UV particulière détermine son pouvoir germicide.
Différences de sensibilité aux longueurs d'onde
Alors que la sensibilité d'un agent pathogène à l'énergie UVC varie, le pic d'absorption d'énergie UVC est généralement compris comme se situant quelque part dans la plage de 265 à 270 nm. La figure 2 montre les spectres d'action de trois agents pathogènes cibles ou de défi communs utilisés dans la conception des systèmes de désinfection de l'eau.
Spectres d'action des microbes cibles/défi communs dans la désinfection de l'eau. Le spectre d'action de B. Subtillis tel que défini par la norme ÖNORM ; E. coli tel que décrit dans Une revue des lampes UV par Henk FJI Giller, dans WEF 2000; et MS2 tel que trouvé dans This Way Forward: Addressing Action Spectra Bias Concerns In Medium Pressure UV Reactors,Bryan Townsend, et al.
Bien que ces agents pathogènes présentent tous un pic d'absorption à environ 265 nm, il existe une variation de la sensibilité aux longueurs d'onde discrètes. Le tableau 1 illustre cette différence de sensibilité aux longueurs d'onde en fonction de leur sensibilité spectrale. En multipliant l'émission des diodes UVC par la pondération, les ingénieurs de R&D peuvent déterminer la puissance de sortie en termes de puissance disponible pour la désinfection de l'agent pathogène spécifique (c'est-à-dire le pouvoir germicide de la source lumineuse).
Longueur d'onde | Pondération pourB. subtillis | Pondération pourE. coli | Pondération pour MS2 |
250 nm | 0.62 | 0.80 | 0.58 |
253,7 nm | 0.82 | 0.85 | 0.77 |
260 nm | 0.98 | 0.95 | 0.98 |
265 nm | 1.00 | 1.00 | 1.00 |
270 nm | 0.99 | 0.90 | 0.88 |
275 nm | 0.96 | 0.80 | 0.79 |
280 nm | 0.91 | 0.60 | 0.67 |
285 nm | 0.70 | 0.40 | 0.59 |
Application du pouvoir germicide pour la production commerciale
À mesure que l'adoption par le marché des LED UVC augmente, le nombre de fournisseurs augmente également. Cela présente plus de choix pour les équipementiers, mais met également en évidence les variations dans les spécifications des produits des fabricants. Tout au long du développement ou de la conception du produit, l'ingénieur peut préférer observer le spectre des LED discrètes pour comparer les critères de performance optimale. Cependant, les fabricants de gros volumes demandent une approche plus systématique pour la spécification de la puissance de sortie germicide. Cette approche de convolution (normalisation de la sortie LED en termes de puissance germicide) a l'effet souhaité. Bien que les systèmes microbiologiques complexes n'offrent pas d'approche unique qui réponde à tous les besoins, il s'agit d'un pas en avant dans la simplification qui permet à l'ingénieur de créer des conceptions durables pour la fabricabilité.
Les LED UVC hautes performances permettent aux fabricants de migrer des lampes au mercure vers des solutions à semi-conducteurs. Les tests des systèmes à LED UVC ont confirmé une efficacité germicide de plus de 99,99%, laissant peu de doute sur le fait que ces sources d'énergie compactes et durables sont une alternative légitime aux systèmes existants à base de lampes au mercure à basse pression.
Les innovateurs du système d'eau de laboratoire reconnaissent les LED UVC comme une solution viable pour développer des systèmes respectueux de l'environnement et rentables sans sacrifier la qualité de l'eau de l'eau de laboratoire.
Écrit par Mark Pizzuto, directeur de la gestion des produits — Désinfection, Crystal IS.
