UV-licht inactiveert ziektekiemen in drinkwater. Tot nu, het desinfectieproces berustte op kwikdamplampen, die licht uitstralen in het UV-spectrum. Echter, kwik is een zwaar metaal dat de menselijke gezondheid en het milieu aantast. Fraunhofer-onderzoekers onderzoeken een groener en efficiënter alternatief, die UV-LED's gebruikt om bacterieel DNA te vernietigen. De technologie is ook geschikt voor het desinfecteren van brouwwater en voor het desinfecteren van de doppen van flessenbier, frisdrank, en mineraalwater tijdens het vulproces.

Zomertijd is biertuintijd. Om te zorgen voor schoon water voor bier van hoge kwaliteit, brouwerijen installeren vaak ultraviolette (UV) systemen stroomopwaarts van hun brouwapparatuur, met als doel het drinkwater kiemvrij te houden. UV-licht wordt gebruikt omdat het zeer effectief is in het doden van bacteriën, virussen en ziektekiemen. Hun genetisch materiaal (DNA) wordt vernietigd door de UV-stralen. Het brouwwater wordt gedesinfecteerd door het door roestvrijstalen buizen te pompen waarin UV-lampen zijn aangebracht. Vooral UV-licht met een golflengte van 265 nanometer is hiervoor geschikt. Tot nu toe, dit UV-licht is opgewekt met kwikdamplampen, die licht uitstralen op 254 nanometer. Echter, kwik is een zwaar metaal dat schadelijk is voor het milieu. Onderzoekers van de afdeling Advanced System Technology (AST) van het Fraunhofer Institute for Optronics, Systeemtechnologieën en beeldexploitatie IOSB in Ilmenau, in samenwerking met projectpartner PURION GmbH, de conventionele lampen die kwik bevatten willen vervangen door ultraviolet light-emitting diodes (UV-leds). Gevestigd in de Duitse stad Zella-Mehlis, het bedrijf maakt UV-desinfectiesystemen voor het zuiveren van water. De technologie wordt gebruikt in waterkoelers, bijvoorbeeld, maar ook om drankverpakkingen zoals vaten, flessen en blikjes vrij van ziektekiemen.

Celbeschadigende UV-C LED's

"Conventionele kwikdamplampen zenden licht uit bij 254 nanometer. Omdat dit onder de optimale golflengte van 265 nanometer ligt, de desinfectieprestaties zijn niet optimaal, " zegt Thomas Westerhoff, wetenschapper bij Fraunhofer IOSB-AST. Andere nadelen van deze lampen zijn de lange opwarmfasen, hun korte levensduur en het feit dat ze vanwege hun omvangrijke ontwerp niet flexibel inzetbaar zijn. "Om deze redenen, wij geven de voorkeur aan UV-LED's, die uitzenden met een maximale golflengte van 265 nanometer. Van bijzonder belang zijn UV-C-LED's, omdat hun straling het DNA van de ziekteverwekkers veel effectiever vernietigt. De UV-stralen genereren resonanties in de nucleïnezuren van het DNA en breken de bindingen van de moleculen open. Hierdoor veranderen de celkernen van de micro-organismen op een manier die celdeling onmogelijk maakt. Bijgevolg, de ziekteverwekkers kunnen zich niet meer vermenigvuldigen."

Flexibel ontwerp van zeer stabiele, kwikvrije UV-stralingsbronnen

In tegenstelling tot de problematische kwikdamplampen, UV-LED's hebben geen opwarmfase nodig - ze bereiken onmiddellijk het volledige vermogen. In aanvulling, ze bieden een hoge mechanische stabiliteit, zijn niet giftig en kunnen op laagspanning worden gebruikt. Een ander voordeel is dat LED's schijnwerpers zijn. Op grond van hun stralingspatroon, ze bieden een breed scala aan ontwerpmogelijkheden. Westerhoff en zijn team bij Fraunhofer IOSB-AST zijn verantwoordelijk voor het ontwerp van de LED-modules, beantwoorden van vragen als:"Hoe moeten de geometrieën worden gestructureerd?", "Wat is de optimale lay-out van de arrays voor een bepaalde use case?", "Hoeveel LED's zijn er nodig?" en "Hoe moeten puntbronnen met verschillende golflengten op de module worden geplaatst?"

Na talrijke praktijktesten, de onderzoekers kunnen de UV-LED's nu direct in water laten werken zonder dat er een buis nodig is om ze te omhullen. Zo elimineren ze reflecties om het prestatierendement van de stralingsbronnen verder te verhogen. Voor de industriële partner PURION GmbH, de experts van Fraunhofer IOSB-AST hebben een speciale module ontwikkeld die de binnenkant van bierdoppen tijdens het productieproces kan desinfecteren voordat de flessen met bier worden gevuld. Dit zorgt ervoor dat er tijdens het productieproces geen ziektekiemen in de flessen komen. "We kunnen het binnenoppervlak van de doppen bestralen met een UV-vermogen van vier watt. Dat doen met kwikdamplampen op zo'n klein oppervlak is bijna onmogelijk, ’ zegt de ingenieur.

De nieuwe technologie is zeer veelzijdig, en dankzij hun kleine formaat en hoge stralingsintensiteit kunnen de UV-C LED's ook worden gebruikt in medische apparaten, om vloeistoffen te steriliseren, oppervlakken en moeilijk bereikbare plaatsen gericht gericht. Endoscopen en ultrasone sondes, bijvoorbeeld, kan ondanks de complexe instralingsgeometrieën efficiënt worden gedesinfecteerd met behulp van speciaal geconfigureerde LED-opstellingen. Fraunhofer IOSB-AST biedt zijn expertise ook aan geïnteresseerde klanten in de medische technologiesector in het ontwerp van op LED gebaseerde UV-C-stralingsbronnen en de simulatie en optimalisatie van het stralingsveld.