Irradiación germicida ultravioleta
Método de desinfección mediante luz ultravioleta
Un tubo de descarga de vapor de mercurio de baja presión inunda el interior de una cabina de bioseguridad con luz ultravioleta de onda corta cuando no está en uso, matando los microbios en las 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. [1]

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 . [2] [3] Estudios recientes han corroborado la capacidad de la luz UV-C para inactivar el SARS-CoV-2 , la cepa del coronavirus que causa la COVID-19 . [4] [5] [6] [7] [8] [9]

Las longitudes de onda UV-C demuestran una eficacia germicida variada y efectos sobre el tejido biológico. [9] [10] [11] Muchas lámparas germicidas como las lámparas de mercurio de baja presión (LP-Hg) , con emisiones máximas alrededor de 254 nm, contienen longitudes de onda UV que pueden ser peligrosas para los humanos . [12] [13] Como resultado, los sistemas UVGI se han limitado principalmente a aplicaciones donde las personas no están expuestas directamente, incluida la desinfección de superficies en hospitales, UVGI en habitaciones superiores y tratamiento de agua . [14] [15] [16] Más recientemente, la aplicación de longitudes de onda entre 200-235 nm, a menudo denominadas UVC lejanas , ha ganado terreno para la desinfección de superficies y aire. [11] [17] [18] Estas longitudes de onda se consideran mucho más seguras debido a su penetración significativamente reducida en el tejido humano. [19] [20] [21] [22]

En particular, la luz UV-C está prácticamente ausente en la luz solar que llega a la superficie de la Tierra debido a las propiedades de absorción de la capa de ozono dentro de la atmósfera . [23]

Historia

Orígenes de la acción germicida UV

El desarrollo de la UVGI se remonta a 1878, cuando Arthur Downes y Thomas Blunt descubrieron que la luz solar, en particular sus longitudes de onda más cortas, obstaculizaban el crecimiento microbiano. [24] [25] [26] Ampliando este trabajo, Émile Duclaux , en 1885, identificó variaciones en la sensibilidad a la luz solar entre diferentes especies bacterianas. [27] [28] [29] 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 UVGI para combatir enfermedades como la tuberculosis . [30]

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. [31] [32] 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. [33] [34] [35]

Los efectos mutagénicos de los rayos UV se dieron a conocer por primera vez en un estudio de 1914 que observó cambios metabólicos en Bacillus anthracis tras la exposición a dosis subletales de rayos UV. [36] Frederick Gates, a finales de la década de 1920, ofreció los primeros espectros de acción bactericida cuantitativos para Staphylococcus aureus y Bacillus coli, observando una eficacia máxima a 265 nm. [37] [38] [39] Esto coincidió con el espectro de absorción de los ácidos nucleicos , lo que sugiere que el daño del ADN es el factor clave en la inactivación bacteriana. Esta comprensión se solidificó en la década de 1960 a través de la investigación que demostró la capacidad de los rayos UV-C para formar dímeros de timina , lo que conduce a la inactivación microbiana. [40] Estos primeros hallazgos sentaron las bases para la UVGI moderna como herramienta de desinfección.

UVGI para la desinfección del aire

El uso de la radiación ultravioleta para la desinfección del aire comenzó a mediados de los años 30. En 1935, William F. Wells demostró que los organismos infecciosos transmitidos por el aire, en concreto la B. coli aerosolizada expuesta a la radiación ultravioleta de 254 nm, podían inactivarse rápidamente. [41] Esto se basó en teorías anteriores sobre la transmisión infecciosa por núcleos de gotitas propuestas por Carl Flügge y el propio Wells. [42] [43] 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, se empleó la radiación ultravioleta infrarroja de alta intensidad para desinfectar el quirófano de un hospital de la Universidad de Duke en 1936. [44] El método resultó un éxito, reduciendo 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. [45] Pronto, este enfoque se extendió a otros hospitales y salas de bebés utilizando "cortinas de luz" de radiación ultravioleta infrarroja, diseñadas para prevenir infecciones respiratorias cruzadas, con un éxito notable. [46] [47] [48] [49]

Los ajustes en la aplicación de la radiación ultravioleta inducida por radiación (UVGI) hicieron que se pasara de las "cortinas de luz" a la radiación ultravioleta inducida por radiación en la parte superior de la habitación, 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. [50] [51] [52] Esto se ejemplificó con el uso exitoso de la radiación ultravioleta inducida por radiación en la parte superior de la habitación por parte de Wells entre 1937 y 1941 para reducir la propagación del sarampión en las escuelas diurnas de los suburbios de Filadelfia. Su estudio encontró 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. [53]

Richard L. Riley, inicialmente alumno de Wells, continuó el estudio de las infecciones transmitidas por el aire y la radiación ultravioleta inducida por radiación 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 inducida por radiación podía inactivar eficazmente los patógenos transmitidos por el aire y prevenir la propagación de la tuberculosis. [54] [55] [56]

A pesar de los éxitos iniciales, el uso de la radiación ultravioleta infrarroja disminuyó en la segunda mitad del siglo XX debido a diversos factores, incluido el aumento de métodos alternativos de control y prevención de infecciones, resultados de eficacia inconsistentes y preocupaciones con respecto a su seguridad y requisitos de mantenimiento. [14] 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 infrarroja para la desinfección del aire. [57] [58] [59] [60]

UVGI para tratamiento de agua

El uso de luz ultravioleta para la desinfección del agua potable se remonta a 1910 en Marsella, Francia . [61] La planta prototipo se cerró al poco tiempo debido a su poca fiabilidad. En 1955, se aplicaron sistemas de tratamiento de agua por UV en Austria y Suiza; en 1985, se utilizaban unas 1.500 plantas en Europa. En 1998 se descubrió que los protozoos como el criptosporidio 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 UV en América del Norte. En 2001, más de 6.000 plantas de tratamiento de agua por UV estaban en funcionamiento en Europa. [62]

Con el tiempo, los costos de la radiación ultravioleta han disminuido a medida que los investigadores desarrollan y utilizan nuevos métodos de radiación ultravioleta para desinfectar el agua y las aguas residuales. Varios países han publicado regulaciones y guías para el uso de la radiación ultravioleta para desinfectar los suministros de agua potable, incluidos los EE. UU. [63] [64] [65] y el Reino Unido. [66]

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 "radiación ultravioleta 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. [67]

  • Las lámparas a base de mercurio que funcionan a baja presión de vapor emiten luz ultravioleta en la línea de 253,7 nm. [68]
  • Las lámparas de diodo emisor de luz ultravioleta (LED UV-C) emiten luz ultravioleta en longitudes de onda seleccionables entre 255 y 280 nm. [69]
  • Las lámparas de xenón pulsado emiten luz ultravioleta en todo el espectro UV con un pico de emisión cerca de los 230 nm. [70]

Este proceso es similar, pero más fuerte, 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. [ cita requerida ]

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. [ cita requerida ]

Eficacia

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

Dosis de UV

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 luminosa, es decir, la irradiancia , y el tiempo de exposición, según:

Dosis UV (μJ/cm 2 ) = intensidad UV (μW/cm 2 ) × tiempo de exposición (segundos) [71]

Asimismo, la irradiancia depende del brillo ( intensidad radiante , W/sr) de la fuente de UV, la distancia entre la fuente de UV y el microbio, la atenuación de los filtros (por ejemplo, vidrio sucio ) en la trayectoria de la luz, la atenuación del medio (por ejemplo, microbios en agua turbia ), la presencia de partículas u objetos que puedan proteger a los microbios de los rayos UV y la presencia de reflectores que puedan dirigir la misma luz UV 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 pautas de dosificación de UV para aplicaciones de tratamiento de agua en 1986. [72] Es difícil medir la dosis de UV directamente, pero también se puede estimar a partir de:

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 UV se especifica a veces como irradiancia a una distancia de 1 metro, que se puede convertir fácilmente a intensidad radiante . La intensidad UV 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 UV siempre debe ajustarse a la distancia a menos que la dosis UV se calcule exactamente a 1 m (3,3 pies) de la lámpara. La dosis UV debe calcularse a la distancia más lejana de la lámpara en la periferia del área objetivo. Se pueden lograr aumentos en la fluencia utilizando 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 utiliza UV. [73]

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

Gráfico que compara la sensibilidad UV de E. coli a LED UV a 265 nm
Curva de eficacia germicida de un LED UVC que emite 265 nm en comparación con E. coli . [70] : fig 5.5 

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/cm 2 . Los parásitos más grandes, como Cryptosporidium, requieren una dosis menor para su inactivación. Como resultado, la EPA de EE. UU. ha aceptado la desinfección por UV 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/cm 2 según el manual de orientación de 2006 de la EPA. [65] : 1–7 

A menudo se malinterpreta la expresión " esterilización " como algo que se puede lograr. Si bien es teóricamente posible en un entorno controlado, es muy difícil de probar 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

La advertencia sobre radiación óptica se aplica a los dispositivos que emiten luz ultravioleta.

Seguridad de la piel y los ojos

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 . [12] [13] [74]

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 . [75]

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. [76] Sin embargo, las longitudes de onda más largas en la banda UV-C pueden causar afecciones como fotoqueratitis y eritema. [22] [77] 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 implementar 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 ultravioleta.
  • Sistemas de enclavamiento : los sistemas blindados, como los tanques de agua cerrados o las unidades de circulación de aire, suelen tener enclavamientos que apagan automáticamente las lámparas UV si el sistema se abre para el acceso humano. También hay disponibles ventanillas transparentes que bloquean la luz UV-C.
  • Equipo de protección personal : la mayoría de los anteojos protectores, en particular los que cumplen con la norma ANSI Z87.1, bloquean los rayos UV-C. De manera similar, la ropa, los plásticos y la mayoría de los tipos de vidrio (excepto el sílice fundido) impiden eficazmente la radiación UV-C.

Desde principios de la década de 2010, ha habido un creciente interés en las longitudes de onda de UVC lejana de 200-235 nm para la exposición de toda la habitación. Estas longitudes de onda generalmente se consideran más seguras debido a su profundidad de penetración limitada causada por una mayor absorción de proteínas . [78] [79] Esta característica limita la exposición a UVC 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 . [22] [80] [81] [82] Como estos tejidos no contienen células replicantes, el daño a los mismos plantea un riesgo cancerígeno menor. También se ha demostrado que la UVC lejana no causa eritema ni daño a la córnea a niveles muchas veces superiores a los de la luz solar UV o los sistemas UVGI convencionales de 254 nm. [83] [84] [22]

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 Americana 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. [85] [86] 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 TLV de la ACGIH existentes se revisaron en 2022. [87]

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/cm 2 para la exposición ocular y 479 mJ/cm 2 para la exposición cutánea durante un período de ocho horas. [88] Para la longitud de onda UV de 254 nm, el límite de exposición actualizado ahora se establece en 6 mJ/cm 2 para los ojos y 10 mJ/cm 2 para la piel. [88]

Química del aire interior

Los rayos UV pueden influir en la química del aire interior, lo que lleva a la formación de ozono y otros contaminantes potencialmente dañinos , incluida la contaminación por partículas . [89] Esto ocurre principalmente a través de la fotólisis , donde los fotones UV rompen las moléculas en radicales más pequeños que forman radicales como OH. [90] Los radicales pueden reaccionar con compuestos orgánicos volátiles (VOC) para producir VOC oxidados (OVOC) y aerosoles orgánicos secundarios (SOA). [91]

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 . [92]

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. [93]

Daño de polímero

La radiación UVC puede romper enlaces químicos, lo que provoca un rápido envejecimiento 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. [94] Cuando se utilizan rayos UV cerca de plástico, 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. [95]

La luz ultravioleta y la luz violeta pueden neutralizar la infectividad del SARS-CoV-2 . [96] Los títulos virales que se encuentran habitualmente en el esputo de los pacientes con COVID-19 se inactivan por completo con niveles de irradiación UV-A y UV-B similares a los niveles experimentados por 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 neutralizante de la irradiación solar UV. [96]

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. [97] 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. [97]

La desinfección es una función de la intensidad de los rayos UV y del tiempo. Por esta razón, 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 de toda la habitación que expone más aire a la fuente de rayos UV. [98] [99] Los sistemas de purificación de aire UVGI pueden ser unidades independientes con lámparas UV protegidas que utilizan un ventilador para forzar el aire a pasar por la luz UV. Otros sistemas se instalan en sistemas de aire forzado para que la circulación de las instalaciones mueva los microorganismos más allá de las lámparas. La clave para esta forma de esterilización es la ubicación de las lámparas UV y un buen sistema de filtración para eliminar los microorganismos muertos. [100] 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 bandejas de drenaje de los sistemas de enfriamiento evitará que se formen microorganismos en estos lugares naturalmente húmedos. [101]

Desinfección del agua

Lámpara de descarga de vapor de mercurio de baja presión, portátil y alimentada por batería, para esterilizar agua.
Modelo seccionado de la unidad de desinfección UV utilizada en plantas de tratamiento de agua.

La desinfección ultravioleta del agua es un proceso puramente físico, libre de 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. [102] La planta de desinfección de agua más grande del mundo trata el agua potable para la ciudad de Nueva York . La instalación de desinfección ultravioleta de agua de Catskill-Delaware , puesta en servicio el 8 de octubre de 2013, incorpora un total de 56 reactores UV de bajo consumo energético que tratan hasta 2.2 mil millones de galones estadounidenses (8.3 mil millones de litros) al día. [103] [104]

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

Se solía pensar que la desinfección UV era más eficaz para las bacterias y los virus, que tienen material genético más expuesto, que para los patógenos más grandes que tienen recubrimientos externos o que forman estados quísticos (por ejemplo, Giardia ) que protegen su ADN de la luz UV. Sin embargo, recientemente se descubrió que la radiación ultravioleta puede ser algo eficaz para tratar el microorganismo Cryptosporidium . Los hallazgos dieron como resultado el uso de la radiación UV como un método viable para tratar el agua potable. A su vez, se ha demostrado que Giardia es muy susceptible a la UV-C cuando las pruebas se basaron en la infectividad en lugar de la exquistación. [105] 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. [ cita requerida ]

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 acoplar 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 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. [106] 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 UVGI no es resistente a la reinfección. El agua tratada por UVGI debe transportarse o entregarse de manera que se evite la reinfección. [ cita requerida ]

En 2006, un proyecto de la Universidad de California en Berkeley elaboró ​​un diseño para la desinfección económica del agua en entornos con escasez de recursos. [107] El proyecto se diseñó 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. [108]

Modelado

El dimensionamiento de un sistema UV se ve afectado por tres variables: caudal, potencia de la lámpara y transmitancia UV en el agua. Los fabricantes normalmente desarrollaron 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 varios caudales, transmitancia 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 UV de la EPA. [65] : 5–2 

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, se "disparan" cientos de miles de partículas virtuales 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 la dosis suministrada, la pérdida de carga y otros parámetros específicos de la cámara.

Una vez finalizada 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 Bacillus subtilis, para determinar la capacidad de los reactores para generar dosis equivalentes de reducción (RED). La mayoría de los sistemas están validados para suministrar 40 mJ/cm 2 dentro de un rango de flujo y transmitancia. [109]

Para validar la eficacia en los sistemas de agua potable, las empresas de agua de Estados Unidos 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 para agua potable y protocolos de reutilización de agua del NWRI/AwwaRF, especialmente en aplicaciones de reutilización de aguas residuales. [110]

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 contengan 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". [111]

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. En la actualidad, 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 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, con accesorios 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 ultravioleta C. Muchos de los mejores esterilizadores ultravioleta tienen tiempos de permanencia prolongados y limitan el espacio entre la fuente de luz ultravioleta C y la pared interior del dispositivo esterilizador ultravioleta. [112] [ Se necesita una fuente de terceros ]

Higiene en el laboratorio

La radiación ultravioleta infrarroja ( UVGI) 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 ordena una reducción de 5 logaritmos en los patógenos, la UVGI ha tenido cierto uso en la esterilización de jugos como el recién exprimido.

Fuentes de luz ultravioleta

Gráfico comparativo de la lámpara de baja presión con la lámpara de presión media y la curva de efectividad germicida
Curva de eficacia germicida de lámparas de vapor de mercurio de baja y media presión comparada con E. coli . [70] : fig 2.1 

Lámparas de vapor de mercurio

Una lámpara germicida de 9 W en un formato de lámpara fluorescente compacta

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. [65] : 2–6, 2–14 

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/cm 3 . 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/cm 3 o más.

Dependiendo del tipo de vidrio de cuarzo utilizado para el cuerpo de la lámpara, los rayos UV de baja presión y de 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 salida 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. [113]

LED

Opciones compactas y versátiles con LED UV-C

Los recientes avances en la tecnología LED han permitido que los LED UV-C estén disponibles comercialmente. Los LED UV-C utilizan semiconductores para emitir luz entre 255 nm y 280 nm. [69] La emisión de longitud de onda se puede ajustar ajustando el material del semiconductor. A partir de 2019 [actualizar], la eficiencia de conversión de electricidad a UV-C de los LED era menor que 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. [114] 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. [114]

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

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