Una lámpara excimer para proporcionar mucho

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 381 (2023) Citar este artículo

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Las mesas de comedor pueden presentar un riesgo para los comensales al transmitir bacterias y/o virus. Actualmente, falta un medio conveniente y respetuoso con el medio ambiente para proteger a los comensales cuando están sentados juntos. Esta investigación construyó lámparas excimer de UVC lejano para desinfectar las superficies de las mesas del comedor. Las lámparas se montaron a diferentes alturas y orientaciones y se midió la irradiancia sobre las superficies de las mesas. Se proporcionaron las dosis de irradiación para obtener diferentes eficiencias de inactivación de Escherichia coli (E. coli). Además, se realizaron modelos numéricos para la irradiancia y la eficiencia de inactivación resultante. El modelo superficie-superficie (S2S) se validó con la irradiancia medida. Se evaluaron el rendimiento germicida de la irradiación de UVC lejano, las dosis de UVC lejano a las que estuvieron expuestos los comensales y el riesgo de exposición al ozono generado. Los resultados revelaron que una dosis de irradiación de 12,8 mJ/cm2 puede desinfectar el 99,9% de E. coli en las superficies. Al variar la salida de irradiancia de la lámpara, el número y las posiciones de las lámparas, la irradiación UVC lejana puede lograr una reducción de 3 log durante una duración de cena de 5 minutos. Además, la lámpara UVC lejana tiene un riesgo bajo de dañar a los comensales cuando logra una tasa de inactivación efectiva. Además, en un comedor con ventilación mecánica prácticamente no existe riesgo de exposición al ozono.

Las mesas de comedor se contaminan fácilmente con microbios1,2. Los microbios en las superficies de las mesas de comedor pueden ser bacterias o virus3,4. Las bacterias se pueden transmitir a las superficies de las mesas del comedor (1) limpiando las mesas con trapos y esponjas contaminados, (2) depositando microorganismos en el aire y (3) entrando en contacto con alimentos contaminados5,6,7. Las bacterias en las superficies de las mesas del comedor pueden sobrevivir durante horas o incluso semanas8. Los virus pueden depositarse en las mesas del comedor con las gotitas liberadas por los comensales infectados9. Incluso cuando se separa de la célula huésped, el virus puede permanecer vivo en las superficies de la mesa del comedor durante 2 a 7 días en condiciones adecuadas4. La desinfección de microbios en las mesas del comedor puede ser una forma eficaz de minimizar la infección humana resultante a través de la vía del contacto con la superficie.

Los desinfectantes químicos se han utilizado durante mucho tiempo para matar los microbios de las superficies. Los desinfectantes de mesa de comedor incluyen solventes clorados, alcohol etílico, ácido peroxiacético y solventes de sal de amonio cuaternario10, etc. Estos desinfectantes inactivan los microbios ya sea desnaturalizando las proteínas biológicas mediante oxidación o acelerando la pérdida de agua de los cuerpos biológicos bajo la fuerza de la tensión superficial11,12. . Los desinfectantes químicos son bastante eficaces para matar la gran mayoría de los microbios13. Sin embargo, la mayoría de los desinfectantes químicos no son respetuosos con el medio ambiente. Más importante aún, los desinfectantes químicos pueden ser perjudiciales para la salud humana si la exposición excede el límite superior permitido. Los síntomas respiratorios y cutáneos reportados debido a la sobreexposición a desinfectantes clorados residuales durante la epidemia de Ébola en 2014 subrayan las deficiencias de la desinfección química14. Por lo tanto, la desinfección química debe utilizarse con precaución en las mesas del comedor.

La radiación ultravioleta C (UVC) también es bastante eficaz para inactivar microbios15 y no produce residuos en las superficies. El UVC tradicional con una longitud de onda de 254 nm se genera comúnmente mediante un arco eléctrico a través de mercurio vaporizado. Los fotones emitidos pueden penetrar profundamente en los cuerpos microbianos y destruir el ácido ribonucleico (ARN) o el ácido desoxirribonucleico (ADN)16. De este modo, se previene tanto la replicación como la proliferación de los microbios irradiados. Sin embargo, UVC254nm no se puede utilizar de forma segura para irradiar el cuerpo humano. La exposición excesiva a los rayos UVC de 254 nm puede provocar conjuntivitis, eritema e incluso cáncer de piel17. Por lo tanto, es posible que se prohíba la desinfección con UVC254nm durante la comida.

En los últimos años, la radiación UVC lejana con longitudes de onda que oscilan entre 207 y 222 nm ha recibido gran atención18. Los rayos UVC lejanos pueden generarse mediante una lámpara excimer en cuyo interior se ioniza el gas noble mediante un alto voltaje. Según se informa, Far-UVC tiene un efecto germicida similar sobre células bacterianas y virus y es más potente para matar endosporas bacterianas que UVC254nm19. En particular, la profundidad de penetración de los rayos UVC lejanos en las células humanas es muy limitada porque los fotones emitidos son absorbidos preferentemente por la córnea y luego asimilados por las proteínas citoplasmáticas20. De este modo se impide que los fotones de alta energía entren en el núcleo. Por tanto, la radiación UVC lejana parece adecuada para la desinfección en presencia de humanos.

La ionización de los rayos UVC lejanos puede recombinar los átomos de oxígeno del aire y generar ozono. Las tasas de emisión de ozono de las lámparas excimer (para UVC lejano) son mucho más bajas que las de las lámparas de mercurio convencionales (principalmente para UVC 254 nm) con la misma potencia de entrada. Sin embargo, la concentración de ozono en interiores aún puede aumentar rápidamente si se utilizan lámparas excimer en un comedor con volumen limitado y ventilación insuficiente. La exposición prolongada a altas concentraciones de ozono puede provocar numerosos efectos adversos para la salud21. En consecuencia, también se debe evaluar la posible exposición al ozono al adoptar la irradiación UVC lejana para la desinfección.

La revisión anterior reveló que la UVC lejana puede prevalecer sobre los desinfectantes químicos y la UVC tradicional de 254 nm para la desinfección de superficies que se tocan con frecuencia. Las mesas de comedor contaminadas pueden contribuir a la transmisión de microbios. Hasta la fecha, falta un método cómodo y respetuoso con el medio ambiente que pueda utilizarse durante mucho tiempo para proteger a los comensales cuando están sentados juntos. Esta investigación realizó experimentos y modelos numéricos para llenar este vacío de conocimiento.

Esta sección presenta el rendimiento germicida de la irradiación de UVC lejano, las dosis de UVC lejano a las que están expuestos los comensales y el posible riesgo de exposición al ozono asociado.

La Figura 1 presenta la lámpara UVC lejana construida para la desinfección de la mesa del comedor, modificada a partir de una lámpara de escritorio disponible en el mercado, reemplazando la lámpara existente para iluminación con la lámpara excimer (Eden Park, EE. UU.). La variación de la irradiancia de la superficie de la mesa con el ángulo de incidencia y la distancia de incidencia se muestra en la Fig. 2. Cuando la distancia de incidencia se mantuvo en un valor constante de 5 cm, la irradiancia exhibió un patrón de disminución con el ángulo de incidencia, como se muestra en la Fig. 2b. La irradiancia alcanzó un pico en la irradiación vertical y disminuyó a 0,17 mW/cm2, 0,19 mW/cm2, 0,05 mW/cm2 y 0,03 mW/cm2 cuando los ángulos incidentes aumentaron a 22°, 39°, 50° y 58°. °, respectivamente, de acuerdo con la ley de Lambert. Cuando el ángulo de incidencia se mantuvo en 0 °, la irradiancia disminuyó con la distancia de incidencia, como se muestra en la Fig. 2c. La irradiancia fue de 0,21 mW/cm2 a una distancia incidente de 5 cm y disminuyó a 0,06 mW/cm2, 0,03 mW/cm2 y 0,02 mW/cm2 cuando la distancia incidente se aumentó a 10 cm, 15 cm y 20 cm, respectivamente. , de acuerdo con la variación del factor de vista. El modelo superficie-superficie (S2S)22 no sólo predijo con éxito la variación de la irradiancia con la distancia y el ángulo de incidencia, sino que también obtuvo una desviación relativa de menos del 15% en comparación con la medición, lo que indica que el modelado numérico fue muy preciso. .

Una lámpara UVC lejana construida para la desinfección de mesas de comedor: (a) fotografía del aspecto exterior; (b) diagrama de la estructura y fotografía de una lámpara excimer.

Comparación entre la irradiancia prevista y medida en la superficie de la mesa del comedor: (a) Esquemas de las posiciones de muestreo de irradiancia UVC lejana; (b) irradiancia versus ángulo de incidencia; (c) irradiancia versus distancia incidente.

Se irradió Escherichia coli (E. coli) con la lámpara UVC lejana y se midió el número de E. coli vivas bajo diferentes dosis de irradiación. Tomando como ejemplo una dosis de irradiación de 1 mJ/cm2, en la Fig. 3 se muestran E. coli vivas antes y después de la desinfección. Antes de la irradiación con UVC lejano, había abundante E. coli como se muestra en la Fig. 3a. Después de la irradiación, el 92,3% de E. coli se inactivó y solo un pequeño porcentaje seguía vivo, como se muestra en la Fig. 3b. No se encontró ningún microorganismo en la muestra de prueba que no hubiera sido inoculado con E. coli, como se muestra en la Fig. 3c, lo que indica que las muestras no estaban contaminadas. Los resultados indican que la UVC lejana funciona bien en la reducción de E. coli.

Se contaron E. coli vivas bajo una dosis de irradiación de 1 mJ/cm2 con el método de placa de vertido: (a) la muestra con E. coli inoculada antes de la irradiación con UVC lejano; (b) la muestra con la E. coli inoculada después de la irradiación; c) la muestra sin inoculación.

Como se muestra en la Fig. 4, la reducción logarítmica de E. coli generalmente aumentó con la dosis de irradiación. Bajo dosis de irradiación de 1 mJ/cm2, 3 mJ/cm2, 6 mJ/cm2, 12 mJ/cm2 y 24 mJ/cm2, las reducciones logarítmicas fueron 1,37, 1,74, 2,44, 2,96 y 3,67, respectivamente. La reducción logarítmica aumenta exponencialmente con la dosis de irradiación según el modelo de Hom23. Si el objetivo es una eficiencia de inactivación no inferior a 3 log, entonces la dosis de irradiación requerida debe ser de al menos 12,8 mJ/cm2.

Relación entre la eficiencia de inactivación y la dosis de irradiación para E. coli.

La Figura 5 muestra las ocho situaciones típicas para cenar. Entre ellas, se rechazó la estrategia (e) con “una lámpara para cuatro comensales”, porque no se podía lograr una eficiencia de inactivación de 3 log con una irradiancia de la superficie de la lámpara inferior a 100 mW/cm2. La lámpara excimer actual puede proporcionar una irradiancia superficial máxima de hasta 100 mW/cm2. Este hallazgo implica que una sola lámpara no fue suficiente para desinfectar toda la superficie de la mesa del comedor en una distancia de incidencia de 25 cm.

Números requeridos y posibles posiciones de lámparas UVC lejanas para situaciones típicas de comedor: (a) una lámpara para un solo comensal; b) dos lámparas para dos comensales sentados frente a frente; c) dos lámparas para dos comensales sentados del mismo lado; d) tres lámparas para tres comensales; e) una lámpara para cuatro comensales; f) dos lámparas para cuatro comensales; g) tres lámparas para cuatro comensales; y (h) cuatro lámparas para cuatro comensales.

La Figura 6 presenta la distribución modelada de la eficiencia de inactivación en las mesas, con una duración de cena de 5 min. En particular, la irradiancia de la superficie de la lámpara requerida varió según la situación. La Tabla 1 presenta la irradiancia mínima requerida en la superficie de la lámpara para lograr una eficiencia de inactivación de no menos de 3 log en el área del comedor. La eficiencia de inactivación alcanzó valores máximos bajo las lámparas y disminuyó a medida que aumentó la distancia desde la lámpara. Para la situación con una sola lámpara, las isolíneas de eficiencia de inactivación se distribuyeron circularmente en la superficie de la mesa del comedor como se muestra en la Fig. 6a. Cuando se usó una mayor cantidad de lámparas, la región de superposición exhibiría una mayor eficiencia de inactivación, como se muestra en las Fig. 6b – d y 6f – h.

Distribución de eficiencia de inactivación modelada numéricamente para diferentes situaciones de comedor: (a) una lámpara para un solo comensal; b) dos lámparas para dos comensales sentados frente a frente; c) dos lámparas para dos comensales sentados del mismo lado; d) tres lámparas para tres comensales; f) dos lámparas para cuatro comensales; g) tres lámparas para cuatro comensales; y (h) cuatro lámparas para cuatro comensales.

Como se muestra en la Tabla 1, para un comensal con una sola lámpara, se requirió al menos 42 mW/cm2 de irradiancia en la superficie de la lámpara para garantizar una eficiencia de inactivación de 3 log para un cuarto de la mesa del comedor en 5 minutos. Para dos comensales sentados frente a frente, se necesitaba una irradiancia de no menos de 33 mW/cm2 para cada lámpara. Este valor fue menor que el de la situación (a) debido a la superposición de las regiones irradiantes. Para dos comensales sentados en el mismo lado, cada lámpara tenía que irradiar una zona de comedor distinta debido a la zona de superposición muy limitada. En consecuencia, la irradiancia requerida era idéntica a la de la situación (a). Desde la perspectiva del ahorro energético, se recomienda sentarse uno frente al otro para dos comensales. La situación de “tres lámparas para tres comensales” era como una combinación de la situación (a) y la situación (b). Para la situación con cuatro comensales, cuando se utilizaron dos, tres o cuatro lámparas, la irradiancia mínima requerida para cada lámpara fue de 90 mW/cm2, 48 mW/cm2 o 30 mW/cm2, respectivamente. Si le preocupa el consumo total de energía, son preferibles cuatro lámparas. Además, más lámparas supondrán una mayor flexibilidad para los usuarios pero supondrán una mayor inversión inicial.

La situación del comedor (f), que tenía la irradiancia total más alta, se seleccionó como ejemplo para el análisis de la exposición de los comensales a los rayos UVC lejanos. La irradiación UVC lejana recibida por los comensales en 5 minutos se muestra en la Fig. 7. Los ojos de los comensales no fueron irradiados en absoluto debido a la altura relativamente baja de las lámparas, y también debido a la protección proporcionada por la pantalla. La dosis alta de irradiación UVC lejana se concentró principalmente en el abdomen, con un valor máximo de 23 mJ/cm2. La exposición a la radiación UVC lejana de la superficie humana no superó los valores límite de umbral diario (TLV) de 8 h de 23 mJ/cm2 propuestos por la Comisión Internacional de Protección contra Radiaciones No Ionizantes (ICNIRP)24. También se evaluaron las dosis de exposición para las otras seis situaciones. Ninguno de los ojos de los comensales estuvo expuesto a la radiación UVC lejana en estos casos. Además, las dosis máximas a las que estuvieron expuestas las superficies humanas fueron todas inferiores a 20 mJ/cm2. El abdomen suele estar cubierto por ropa. En consecuencia, la exposición recibida a la radiación UVC lejana sería inferior a los valores analizados anteriormente. Mientras tanto, la forma de la pantalla también se puede optimizar para reducir la irradiación sobre las superficies humanas.

Dosis de irradiación UVC lejana que reciben los comensales en la situación de “dos lámparas UVC lejanas para cuatro comensales”.

Nuevamente, se seleccionó la situación (f) para el análisis de la posible contaminación por ozono, debido a la mayor irradiancia superficial total que podría generar la mayor cantidad de ozono. La figura 8 muestra la concentración de ozono en un plano perpendicular al suelo y que pasa por los dos comensales sentados frente a frente. Cuando se encendieron las lámparas UVC lejanas, el ozono emitido se acumuló dentro de la pantalla, lo que resultó en un aumento de concentración de 20 ppb. Con la acumulación de concentración, el ozono se dispersó fuera de la pantalla tanto por el gradiente de concentración como por el flujo de aire circundante. El ozono que salía de la pantalla se diluyó rápidamente y luego se distribuyó uniformemente en el comedor gracias a la buena mezcla proporcionada por el sistema de ventilación mecánica. La concentración media de ozono en todo el espacio fue de 1,2 ppb, simplemente como resultado del encendido de las lámparas UVC lejanas.

Concentración elevada de ozono después de encender las lámparas UVC lejanas: (a) posición del plano de interés para mostrar la concentración de ozono; (b) contorno de concentración en este plano.

La figura 9 muestra la elevada concentración de ozono en las zonas de respiración de los 16 comensales. Entre los comensales, casi la mitad tenía una concentración elevada de no más de 0,5 ppb. Las concentraciones elevadas máxima y mínima fueron 2,8 ppb y 0,3 ppb, respectivamente. Debido a la posible descomposición del ozono en los fregaderos de los comedores, la concentración de ozono resultante en la práctica sería menor. La concentración máxima permitida de exposición al ozono durante una hora es de 0,16 mg/m3 (aproximadamente 80 ppb)25. Por tanto, el uso de lámparas UVC lejanas en los comedores no supondrá un riesgo de exposición al ozono.

Distribución estadística del número de comensales con la concentración elevada de ozono en las zonas de respiración entre los 16 comensales.

Esta investigación realizó una prueba de laboratorio para examinar el rendimiento germicida de la irradiación UVC lejana. E. coli se liberó manualmente en placas de acero inoxidable para su medición. La E. coli liberada manualmente tenía una concentración inicial estable, lo que facilitaba la medición y la comparación. También se podrían tomar muestras de E. coli en pequeños trozos de placas de acero inoxidable de manera más eficiente para su incubación y recuento.

También hemos medido la desinfección de las superficies de las mesas en un comedor universitario. Sin embargo, debido a la complicada abundancia de microorganismos y también a la interferencia de la película de aceite y grasa en las superficies de las mesas, las dosis de irradiación necesarias varían mucho y es extremadamente difícil obtener resultados repetibles. Alternativamente, medimos la E. coli pura en una mesa del laboratorio para simplificar. En el futuro, todavía será necesaria una evaluación adicional de las lámparas UVC lejanas en un entorno de comedor realista.

Aunque informamos la eficiencia de la inactivación utilizando la reducción logarítmica de E. coli en las superficies de las mesas, la irradiación UVC también podrá desinfectar algunos microorganismos en el aire. La irradiación germicida ultravioleta (UVGI), ampliamente utilizada, también puede inactivar microorganismos en el aire26,27,28. Se esperan mayores esfuerzos para cuantificar las lámparas UVC lejanas en la desinfección de microorganismos transportados por el aire.

La dosis de irradiación para lograr una eficiencia de inactivación de 3 log varía mucho entre los diferentes microorganismos. Por ejemplo, se informó que las dosis mínimas de irradiación para lograr una eficiencia de inactivación de 3 log para el virus de la influenza A, el SARS-CoV-2 y el Staphylococcus aureus eran 2,0 mJ/cm2, 3,7 mJ/cm2 y 12 mJ/cm2. respectivamente 29,30,31. Tenga en cuenta que la dosis de 2,0 mJ/cm2 para el virus de la influenza A fue para la desinfección del aire y no para la desinfección de superficies. Otra investigación 32 informó que una dosis de UVC de 4,3 mJ/cm2 desinfectaba el 99,2% del virus de la influenza H1N1 en un micrófono. Por lo tanto, la dosis de 12,8 mJ/cm2 utilizada para desinfectar E. coli también puede inactivar eficazmente la mayoría de los patógenos infecciosos.

Es posible que haya películas de agua o aceite en las superficies de las mesas del comedor debido a los trapos utilizados para limpiar las mesas o a los residuos de alimentos. Las películas líquidas y otras impurezas pueden afectar la eficiencia de inactivación de la irradiación UVC. La dosis de irradiación para lograr una eficiencia de inactivación de 3 log en el agua destilada fue de 15 mJ/cm2 y aumentaría a 30 mJ/cm2 si hubiera impurezas presentes31. Ambas dosis de irradiación fueron mayores que los 12,8 mJ/cm2 informados en la placa de acero inoxidable, aunque el estudio publicado en la literatura31 utilizó UVC 254 nm. Los impactos de la película líquida para la desinfección con luz UVC lejana en mesas de comedor reales merecen una mayor exploración.

Los materiales utilizados para fabricar las mesas de comedor incluyen no sólo acero inoxidable tipo 304 sino también vidrio, cloruro de polivinilo (PVC), madera y piedra. Estos materiales tienen una rugosidad decreciente: piedra > madera > PVC > acero inoxidable > vidrio33. La rugosidad de la superficie puede tener un efecto no despreciable sobre el rendimiento germicida sujeto a irradiación UVC. Se informó que la resistencia de los sustitutos bacterianos a la inactivación aumentaba con la rugosidad del material de envasado de alimentos33. Los microorganismos que se encuentran en una superficie rugosa pueden recibir una dosis de irradiación más baja que los que se encuentran en una superficie lisa. En futuros estudios se podrán realizar pruebas de desinfección en mesas de diferentes materiales y con distintos niveles de rugosidad.

El vapor de agua puede absorber la luz UVC. En consecuencia, la irradiancia UVC disminuye en una superficie si el aire circundante contiene una mayor humedad y, por tanto, una mayor concentración de vapor de agua. Según se informa, la irradiancia UVC254nm disminuyó un 0,9 % cuando la humedad relativa aumentó del 20 al 80 %34. La adsorción y dispersión de los rayos UVC por las gotas de agua en una distancia muy corta de 25 cm prácticamente se puede despreciar. Por lo tanto, en esta investigación, el rendimiento germicida de las lámparas UVC lejanas no se ve afectado significativamente por la temperatura y la humedad del aire dentro de una distancia corta del incidente. Sin embargo, la irradiancia del UVC lejano puede verse atenuada por el ozono generado35. Afortunadamente, la baja concentración de ozono de aproximadamente 20 ppb presentaría sólo un impacto mínimo en la producción de UVC lejano.

Las manos del comensal pueden quedar expuestas a la radiación UVC lejana durante la comida. Sin embargo, ambas manos suelen moverse durante una comida y, por tanto, la dosis de UVC recibida puede variar según el gesto. La geometría de la pantalla se puede diseñar mejor para circunscribir la irradiación a la superficie de la mesa, pero no mucho a las manos que están más altas que la superficie de la mesa. El examen del riesgo de exposición de las manos y los métodos creativos para minimizar la exposición de las manos esperan más investigaciones.

Esta investigación realizó experimentos y modelos numéricos para explorar el rendimiento germicida de la irradiación de UVC lejano, evaluar las dosis de UVC lejano a las que estarían expuestos los comensales y abordar el posible riesgo de exposición al ozono asociado. En base a los resultados obtenidos se pueden extraer las siguientes conclusiones:

Una dosis de irradiación UVC lejana de 12,8 mJ/cm2 puede desinfectar el 99,9% de E. coli en placas de acero inoxidable. Al variar las salidas de irradiancia de la lámpara, el número de lámparas y las posiciones, la irradiación UVC lejana puede lograr una inactivación de 3 log durante una duración de cena de 5 minutos.

Las dosis máximas de UVC lejano a las que están expuestos los comensales se encuentran en el abdomen. La lámpara UVC lejana tiene un riesgo de daño bajo para los comensales cuando logra una tasa de inactivación efectiva para la mayoría de los patógenos infecciosos.

La concentración media de ozono en todo el comedor fue de 1,2 ppb, simplemente como resultado del encendido de las lámparas UVC lejanas. El uso de lámparas UVC lejanas en un comedor con ventilación mecánica no implica riesgo de exposición al ozono.

Como se muestra en la Fig. 1, los componentes de la lámpara UVC lejana incluían un pedestal equilibrado, una fuente de alimentación, un marco retráctil, una lámpara excimer y una pantalla. La potencia eléctrica nominal era de 10 W. La estructura de acero inoxidable se podía extender libremente de 0 a 60 cm por encima de una mesa de comedor.

La lámpara excimer adoptada tenía unas dimensiones de 5,0 cm (largo) × 5,0 cm (ancho) × 0,3 cm (grosor). La lámpara era una fuente de luz monocromática y estaba compuesta por conjuntos de microcavidades entrelazadas llenas del gas noble KrCl. Cuando la lámpara está encendida, el KrCl en las microcavidades puede interactuar con el voltaje e irradiar luz ultravioleta en longitudes de onda de 219 a 222 nm y con un máximo de 221 nm36. Se midió que la irradiancia UVC lejana cerca de la lámpara era de 1,5 mW/cm2 en las condiciones de trabajo nominales. La lámpara excimer estaba cubierta por una pantalla opaca para concentrar la radiación. La pantalla se montó en un marco retráctil a través de un eje, lo que permitió una rotación de 360° de la lámpara según lo requiera el usuario.

La irradiación es un determinante clave del rendimiento germicida. Se define como el flujo radiante proyectado sobre una unidad de área por unidad de tiempo. En este estudio se empleó una mesa de comedor real hecha de acero inoxidable tipo 304 con unas dimensiones de 120 cm (largo) x 60 cm (ancho) x 70 cm (alto). La mesa tenía capacidad para cuatro comensales a la vez. La irradiancia de UVC lejano se midió en diferentes posiciones de la superficie de la mesa, como se muestra en la Fig. 2a. Estas posiciones fueron etiquetadas como "O-B1-B2-B3-B4", con ángulos de incidencia de 0°, 22°, 39°, 50° y 58°, respectivamente. Durante la prueba, la lámpara se ancló a cuatro alturas diferentes, concretamente de A1 a A4, con un rango de 5 a 20 cm con un intervalo de 5 cm. El diseño anterior se utilizó para examinar la irradiancia bajo diferentes ángulos y distancias de incidencia.

La irradiancia UVC lejana se midió utilizando un fotómetro UVC (tipo: ILT2400; International Light Technologies, EE. UU.), con un rango de detección de 8 a 4 mW/cm2 y una precisión de ± 1%. Para minimizar la incertidumbre de la medición, la irradiancia UVC lejana en cada posición se midió 5 veces y se informó el valor promedio.

Además de la irradiancia, también se midió la desinfección de un microorganismo. El rendimiento germicida de la irradiación UVC lejana puede evaluarse cuantitativamente mediante la eficiencia de inactivación34 como:

donde P es la eficiencia de inactivación, y N0 y N son las concentraciones de microbios antes y después de la irradiación, respectivamente, UFC/mL. La eficiencia de inactivación obtenida está estrechamente relacionada con la dosis de irradiación como la integración de la irradiancia con el tiempo.

Se debe tomar una muestra del microbio que está presente antes y después de la irradiación UVC lejana para determinar la eficiencia de la inactivación. Se seleccionó E. coli como microorganismo de prueba porque está presente con frecuencia en las mesas de los comedores. En esta investigación se utilizó E. coli (ATCC 25,922) y se adquirió de Haibo Biotechnology (Qingdao, China). Antes de la prueba, se preparó una suspensión de E. coli según procedimientos estándar31. Luego se extrajeron 20 μL de la suspensión con una pipeta y se esparcieron uniformemente sobre un trozo de placa de acero inoxidable tipo 304 con dimensiones de 1,00 cm (largo) × 1,00 cm (ancho) × 0,05 cm (espesor). La placa de acero inoxidable con E. coli se secó en una incubadora (tipo: SPX-70; Zhongji Environmental Protection Technology, China) a 35 °C durante 20 minutos y luego se colocó bajo la lámpara UVC lejana. Después de eso, la placa de acero inoxidable se sumergió en 10 ml de solución salina tamponada con fosfato (PBS) en un tubo de vidrio. El tubo de vidrio se centrifugó a 5000 rpm/min durante 10 minutos para separar E. coli de la superficie de la placa al PBS. El PBS con E. coli se diluyó y luego se inoculó en un medio de agar de soja que contenía triptona. Después de la incubación a 35 °C durante 24 h, se contó el número de colonias vivas de E. coli en la muestra de acero inoxidable.

Para garantizar la precisión, se realizaron tres pruebas paralelas, a saber, el grupo experimental, el grupo de control y el grupo en blanco, como se muestra en la Fig. 10. Las operaciones del grupo de control fueron consistentes con las del grupo experimental, excepto por el Falta de irradiación UVC lejana. Los grupos de control y experimentales se crearon para obtener concentraciones de E. coli antes y después de la irradiación con UVC lejano. En cuanto al grupo en blanco, inicialmente se transfirieron 20 μL de PBS a una placa de acero inoxidable en lugar de la suspensión de E. coli, y los procedimientos posteriores fueron los mismos que para el grupo de control. El propósito de la prueba del grupo en blanco fue identificar una posible contaminación microbiana durante la operación.

Esquemas para medir la eficiencia de inactivación de E. coli con tres grupos de prueba paralelos.

Para obtener las eficiencias de inactivación a diferentes dosis de irradiación, se crearon dosis de UVC lejano de 1 mJ/cm2, 3 mJ/cm2, 6 mJ/cm2, 12 mJ/cm2 y 24 mJ/cm2, que se calcularon como la integral de la irradiancia local con el tiempo de irradiación. Las pruebas se repitieron cinco veces con cada dosis. Por tanto, se realizaron un total de 75 pruebas.

La irradiancia UVC lejana en las superficies de las mesas de comedor se resolvió con el modelo de radiación S2S 22, ignorando la absorción, la emisión y la dispersión de la radiación en el medio y preservando sólo la radiación "superficie a superficie" entre las paredes sólidas37. El flujo radiante que sale de una superficie determinada se compone de radiación emitida y reflejada directamente. El flujo radiante desde la superficie N se escribe como:

donde qout, N es el flujo radiante que sale de la superficie N, W/m2; εN es la emisividad; σ es la constante de Stefan-Boltzmann, 5,672 × 10−8 W/m2/K4; T es la temperatura de la superficie, K; ρN es la reflectividad de la superficie N; y qin, N es el flujo radiante incidente sobre la superficie N desde los alrededores, W/m2.

Para la validación del modelo, se supuso que una mesa de comedor junto con la lámpara UVC lejana estaban ubicadas en una habitación cerrada con dimensiones de 2,0 m (largo) × 1,6 m (ancho) × 3,0 m (alto), similar al tamaño de la sala de pruebas. Se supuso que todas las superficies de las paredes sólidas estaban a 25 °C, excepto la superficie de la lámpara UVC lejana con una irradiancia superficial de 1,5 mW/m2. Para las soluciones numéricas se utilizó el software ANSYS-FLUENT. Se generaron un total de 1,5 millones de celdas de cuadrícula tetraédricas distribuidas de manera no uniforme en el dominio de la solución, con un tamaño de cuadrícula más fino de 4 mm cerca de la mesa del comedor y la lámpara UVC lejana. Mientras tanto, el tamaño de la cuadrícula en otras regiones aumentó gradualmente a 50 mm con una tasa de crecimiento del 1,2. Los factores de vista en el modelo S2S y las ecuaciones de energía fueron discretizados mediante el esquema de segundo orden en contra del viento. La iteración en cada paso de tiempo continuó hasta que se alcanzó el criterio de convergencia de 10-5 para el residual relativo. La irradiancia obtenida del modelado numérico se comparó con la de la medición.

Para simplificar, se consideró un dominio con dimensiones de 4,0 m (largo) × 3,2 m (ancho) × 3,0 m (alto) que contiene cuatro mesas de comedor y 16 comensales adultos, como se muestra en la Fig. 11. Este dominio representa una parte seccional de un comedor grande como los que se encuentran en las universidades. Los comensales tenían una altura sentada de 1,26 m, y las dimensiones geométricas de las mesas de comedor eran las mismas que las utilizadas en la prueba experimental. Se colocaron lámparas Far-UVC sobre las mesas para inactivar los microbios. Se montaron en el techo cuatro lámparas fluorescentes con dimensiones de 1,25 m (largo) × 0,15 m (ancho) × 0,06 m (alto) para proporcionar iluminación. El comedor estaba equipado con un sistema de ventilación mixta. El aire acondicionado se suministraba a través de un difusor cuadrado en el centro del techo y el aire interno se extraía a través de dos escapes cuadrados simétricos. Las longitudes tanto del difusor como de los escapes fueron de 0,15 m. Se generaron un total de 1,8 millones de celdas de cuadrícula tetraédricas no uniformes en el dominio, con un tamaño de cuadrícula más fino de 4 mm cerca del difusor, escapes, lámparas fluorescentes, mesas de comedor, lámparas UVC lejanas y comedores. Mientras tanto, el tamaño de la cuadrícula en otras regiones aumentó gradualmente a 50 mm con una tasa de crecimiento del 1,2.

Modelo geométrico de un comedor que utiliza lámparas UVC lejanas para desinfectar las mesas del comedor.

El número tanto de comensales como de lámparas variaba según la situación considerada. En una mesa de comedor se podrán acomodar simultáneamente de uno a cuatro comensales, pudiendo sentarse del mismo lado o uno frente a otro si son varios comensales. Como se muestra en la Fig. 5, cuando solo hay un comensal, la lámpara UVC lejana se puede colocar justo encima del área del comedor. Podrán sentarse dos comensales frente a frente o del mismo lado. Para tres comensales, el diseño colocó tres lámparas en el techo. Para cuatro comensales sentados juntos, el número de lámparas oscilaba entre una y cuatro.

Las lámparas UVC lejanas se colocaron a 25 cm por encima de la mesa. Las lámparas estuvieron encendidas durante la comida. Análisis estadísticos previos revelaron que la duración mínima de una comida es de 5 min38. Por lo tanto, esta investigación intentó obtener una eficiencia de inactivación de no menos de 3 log para E. coli durante un tiempo mínimo de 5 min. La irradiancia superficial de las lámparas excimer se varió para lograr la eficiencia de inactivación anterior pero fue inferior a 100 mW/cm2. Las dosis de irradiación para los comensales se evaluaron durante 5 minutos para garantizar la seguridad humana.

Además de la eficiencia de la inactivación, se modelaron las concentraciones de ozono dentro del comedor. Las lámparas excimer eran la principal fuente de ozono. La tasa de emisión de ozono de una lámpara excimer con una irradiancia superficial de UVC lejano de 1,5 mW/cm2 se midió como 17,27 ± 3,05 μg/h usando un monitor de ozono (tipo: 106 L; 2B Technologies, EE. UU.). Se pueden encontrar más detalles sobre la medición de la tasa de emisión de ozono en la Información de soporte. Se asumió una relación lineal entre la emisión de ozono y la irradiancia de la superficie. El ozono es químicamente inestable y puede descomponerse en la mayoría de las superficies, lo que constituye sumideros de ozono39. La presencia de varios sumideros reducirá la concentración de ozono en el espacio. En aras de la simplicidad, en esta investigación se ignoraron las tasas de eliminación de ozono por estos sumideros, lo que puede haber dado lugar a concentraciones de ozono más altas que las que ocurren en la práctica.

La Tabla 2 resume las principales condiciones de contorno para el modelado numérico. Los límites laterales del dominio se establecieron en "simetría" para representar un gran comedor. El techo, las mesas del comedor y el piso tenían una temperatura constante de 25 °C, mientras que las temperaturas de las lámparas fluorescentes y los comensales eran de 40 °C y 31 °C, respectivamente. La lámpara UVC lejana liberó un flujo de calor estable de 48,3 W/m2. La irradiancia de la superficie UVC lejana se varió de 0 a 100 mW/cm2 para obtener las eficiencias de inactivación esperadas. Se suministró aire acondicionado a 17 °C a la habitación a una velocidad de 476 m3/h. Los dos escapes de aire simétricos extraían el aire interno a velocidades idénticas. Además de la distribución espacial de la concentración de ozono, se analizó la concentración en la zona de respiración de cada comensal. La zona de respiración se definió como un cubo de 0,3 m cuyo centro estaba en la nariz del comensal.

Para la solución numérica se empleó el software ANSYS-FLUENT. La irradiancia superficial se resolvió mediante el modelo S2S. La eficiencia de inactivación se puede obtener una vez que se conoce la relación entre la tasa de supervivencia de un microorganismo y la dosis de irradiación. La concentración de ozono se modeló como un escalar pasivo y, por lo tanto, estuvo sujeta a un flujo de aire turbulento en el interior. Para la solución de flujo se empleó el modelo de turbulencia RNG k–ε junto con la función de pared estándar40. Se adoptó la aproximación de Boussinesq para considerar la flotabilidad térmica. Se utilizó el algoritmo SIMPLE para acoplar la presión y la velocidad. La presión fue discretizada mediante el esquema PRESTO, mientras que las demás variables fueron discretizadas mediante el esquema de ceñida de segundo orden.

Los criterios convergentes para la irradiancia superficial fueron idénticos a los de la sección de validación del modelo. Para las concentraciones de ozono, las simulaciones se consideraron convergentes si se cumplían los siguientes criterios41: (1) el residual relativo para la ecuación de continuidad era inferior a 10-5 y las otras variables eran inferiores a 10-3; (2) la relación entre los caudales másicos netos en todos los límites y la tasa total de suministro de aire fue inferior a 10-5; (3) la tasa neta de transferencia de calor en todos los límites fue inferior al 0,5% de la ganancia máxima de calor; y (4) la velocidad del aire, la temperatura y las concentraciones de ozono en puntos típicos fueron independientes de la iteración numérica.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado y sus archivos de información complementarios.

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Descargar referencias

La investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Subvención No.: 51978450).

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Mengqiang Lv, Jin Huang, Haofu Chen y Tengfei (Tim) Zhang

Escuela de Ingeniería Civil, Universidad Tecnológica de Dalian, Dalian, China

Tengfei (Tim) Zhang

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ML: metodología, medición de la concentración de ozono, curación, análisis y edición de datos; JH: medición, software, validación, curación de datos, análisis, preparación del borrador original; HC: comparación de los números de E. coli contados utilizando ambos métodos; TZ: conceptualización, metodología, revisión y edición, supervisión y administración de proyectos. Todos los autores han revisado el manuscrito.

Correspondencia a Tengfei (Tim) Zhang.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Lv, M., Huang, J., Chen, H. et al. Una lámpara excimer para proporcionar irradiación ultravioleta lejana C para la desinfección de la mesa del comedor. Representante científico 13, 381 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27380-2

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Recibido: 13 de septiembre de 2022

Aceptado: 02 de enero de 2023

Publicado: 07 de enero de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-27380-2

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