La luce UV inattiva i germi nell'acqua potabile. Fino ad ora, il processo di disinfezione si basava su lampade a vapori di mercurio, che emettono luce nello spettro UV. Però, il mercurio è un metallo pesante che danneggia la salute umana e l'ambiente. I ricercatori del Fraunhofer stanno studiando un'alternativa più ecologica ed efficiente, che utilizza i LED UV per distruggere il DNA batterico. La tecnologia è adatta anche per la disinfezione dell'acqua di fermentazione e per la disinfezione dei tappi della birra in bottiglia, bevande analcoliche, e acqua minerale durante il processo di riempimento.

L'estate è tempo di birreria all'aperto. Per garantire acqua pulita per una birra di alta qualità, i produttori di birra spesso installano sistemi a raggi ultravioletti (UV) a monte delle loro apparecchiature per la produzione di birra, allo scopo di mantenere l'acqua potabile priva di germi. La luce UV viene utilizzata perché è molto efficace nell'uccidere i batteri, virus e germi. Il loro materiale genetico (DNA) viene distrutto dai raggi UV. L'acqua di infusione viene disinfettata pompandola attraverso tubi in acciaio inossidabile in cui sono state montate lampade UV. La luce UV con una lunghezza d'onda di 265 nanometri è particolarmente adatta a questo compito. Fino ad ora, questa luce UV è stata generata utilizzando lampade a vapori di mercurio, che emettono luce a 254 nanometri. Però, il mercurio è un metallo pesante che danneggia l'ambiente. Ricercatori presso il ramo Advanced System Technology (AST) del Fraunhofer Institute for Optronics, Tecnologie di sistema e sfruttamento delle immagini IOSB a Ilmenau, in collaborazione con il partner di progetto PURION GmbH, desidera sostituire le lampade convenzionali contenenti mercurio con diodi a emissione di luce ultravioletta (LED UV). Con sede nella città tedesca di Zella-Mehlis, l'azienda realizza sistemi di disinfezione UV per la depurazione dell'acqua. La tecnologia è utilizzata nei refrigeratori d'acqua, Per esempio, ma anche per conservare contenitori per bevande come botti, bottiglie e lattine prive di germi.

LED UV-C dannosi per le cellule

"Le lampade convenzionali a vapori di mercurio emettono luce a 254 nanometri. Poiché questa si trova al di sotto della lunghezza d'onda ottimale di 265 nanometri, le prestazioni di disinfezione non sono ottimali, "dice Thomas Westerhoff, scienziato presso Fraunhofer IOSB-AST. Ulteriori svantaggi di queste lampade sono le lunghe fasi di riscaldamento, la loro breve durata e il fatto che non possono essere impiegati in modo flessibile a causa del loro design ingombrante. "Per queste ragioni, preferiamo i LED UV, che emettono a una lunghezza d'onda massima di 265 nanometri. Di particolare interesse sono i LED UV-C, perché le loro radiazioni distruggono molto più efficacemente il DNA dei patogeni. I raggi UV generano risonanze negli acidi nucleici del DNA e rompono i legami delle molecole aperte. Questo cambia i nuclei cellulari dei microrganismi in un modo che rende impossibile la divisione cellulare. Di conseguenza, gli agenti patogeni non possono più moltiplicarsi."

Design flessibile di altamente stabile, sorgenti di radiazioni UV prive di mercurio

A differenza delle problematiche lampade a vapori di mercurio, I LED UV non richiedono alcuna fase di riscaldamento:raggiungono la massima potenza istantaneamente. Inoltre, offrono un'elevata stabilità meccanica, non sono tossici e possono funzionare a bassa tensione. Un altro vantaggio è che i LED sono faretti. In virtù del loro diagramma di radiazione, offrono una vasta gamma di possibilità di design. Westerhoff e il suo team al Fraunhofer IOSB-AST sono responsabili della progettazione dei moduli LED, rispondendo a domande del tipo:"Come devono essere strutturate le geometrie?", "Qual è il layout ottimale degli array per un particolare caso d'uso?", "Quanti LED sono necessari?" e "Come dovrebbero essere disposte sul modulo sorgenti puntiformi con lunghezze d'onda diverse?"

Dopo numerose prove pratiche, i ricercatori sono ora in grado di far funzionare i LED UV direttamente nell'acqua senza la necessità di un tubo per racchiuderli. Eliminano così le riflessioni per aumentare ulteriormente la resa prestazionale delle sorgenti di radiazione. Per il partner industriale PURION GmbH, gli esperti di Fraunhofer IOSB-AST hanno sviluppato un modulo speciale in grado di disinfettare l'interno dei tappi di birra durante il processo di produzione prima che le bottiglie vengano riempite di birra. Ciò garantisce che nessun germe penetri nelle bottiglie durante il processo di produzione. "Siamo in grado di irradiare la superficie interna dei cappucci con una potenza UV di quattro watt. Farlo con lampade a vapori di mercurio su una superficie così piccola è quasi impossibile, "dice l'ingegnere.

La nuova tecnologia è altamente versatile, e grazie alle loro ridotte dimensioni e all'elevata intensità di radiazione i LED UV-C possono essere utilizzati anche nei dispositivi medici, per sterilizzare liquidi, superfici e aree difficili da raggiungere in modo mirato. Endoscopi e sonde ultrasoniche, Per esempio, possono essere disinfettati in modo efficiente utilizzando disposizioni LED appositamente configurate nonostante le complesse geometrie di irradiazione. Fraunhofer IOSB-AST offre anche la sua esperienza ai clienti interessati nel settore dell'ingegneria medica nella progettazione di sorgenti di radiazioni UV-C basate su LED e nella simulazione e ottimizzazione del campo di irradiazione.