Una lámpara excimer para proporcionar lejos

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 se sientan juntos. Esta investigación construyó lámparas excímeras UVC lejanas para desinfectar las superficies de las mesas de comedor. Las lámparas se montaron a diferentes alturas y orientaciones, y se midió la irradiación 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 de superficie a superficie (S2S) se validó con la irradiancia medida. Se evaluó el desempeño germicida de la radiación UVC lejana, las dosis de UVC lejana a las que se expusieron 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 irradiación de la lámpara, el número y las posiciones de las lámparas, la irradiación UVC lejana puede lograr una reducción de 3 log para una duración de cena de 5 min. Además, la lámpara UVC lejana tiene un bajo riesgo de daño para los comensales al lograr una tasa de inactivación efectiva. Además, prácticamente no existe riesgo de exposición al ozono en un comedor ventilado mecánicamente.

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. La bacteria puede transmitirse a las superficies de las mesas de comedor al (1) limpiar las mesas con trapos y esponjas contaminados, (2) la deposición de microorganismos en el aire y (3) el contacto con alimentos contaminados5,6,7. Las bacterias en las superficies de las mesas de comedor pueden sobrevivir durante horas o incluso semanas8. Los virus pueden asentarse en las mesas de 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 las mesas de comedor durante 2 a 7 días en condiciones adecuadas4. La desinfección de microbios en las mesas de comedor puede ser una forma efectiva de minimizar la infección humana resultante a través de la ruta del contacto superficial.

Los desinfectantes químicos se han utilizado durante mucho tiempo para matar los microbios en las superficies. Los desinfectantes de mesa incluyen solventes clorados, alcohol etílico, ácido peroxiacético y solvente de sal de amonio cuaternario10, etc. Estos desinfectantes inactivan los microbios ya sea desnaturalizando las proteínas biológicas a través de la oxidación o acelerando la pérdida de agua de los cuerpos biológicos bajo la fuerza de la tensión superficial11,12 . Los desinfectantes químicos son bastante efectivos para matar a la gran mayoría de los microbios13. Sin embargo, la mayoría de los desinfectantes químicos no son ecológicos. Más críticamente, los desinfectantes químicos pueden ser dañinos para la salud humana si la exposición excede el límite superior permitido. Los síntomas respiratorios y cutáneos notificados 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 usarse con precaución en las mesas de comedor.

La radiación ultravioleta C (UVC) también es bastante eficaz para inactivar microbios15 y no deja residuos en las superficies. El UVC tradicional con una longitud de onda de 254 nm es comúnmente generado por 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. Por lo tanto, se evitan tanto la replicación como la proliferación de los microbios irradiados. Sin embargo, UVC254nm no se puede usar de manera segura para irradiar el cuerpo humano. La exposición excesiva a UVC254nm puede provocar conjuntivitis, eritema e incluso cáncer de piel17. Por lo tanto, la desinfección UVC254nm durante la cena puede estar prohibida.

En los últimos años, la UVC lejana con longitudes de onda que oscilan entre 207 y 222 nm ha recibido una gran atención18. Los rayos UVC lejanos pueden ser generados por una lámpara excimer dentro de la cual el gas noble es ionizado por un alto voltaje. Según los informes, Far-UVC tiene un efecto germicida similar en las células bacterianas y los virus y es más potente para matar las 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 preferentemente absorbidos por la córnea y luego asimilados por las proteínas citoplasmáticas20. Por lo tanto, se evita que los fotones de alta energía entren en el núcleo. Por lo tanto, la UVC lejana parece adecuada para la desinfección en presencia de humanos.

La ionización de los rayos UVC lejanos puede recombinar átomos de oxígeno en el 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 UVC254nm) con la misma potencia de entrada. Sin embargo, la concentración de ozono interior aún puede aumentar rápidamente si se utilizan lámparas de excimer en un comedor con volumen limitado y ventilación insuficiente. La exposición a largo plazo a altas concentraciones de ozono puede provocar numerosos efectos adversos para la salud21. En consecuencia, también debe evaluarse 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 UVC254nm tradicional 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 conveniente y respetuoso con el medio ambiente que pueda usarse durante mucho tiempo para proteger a los comensales cuando están sentados juntos. Esta investigación llevó a cabo tanto experimentos como modelos numéricos para llenar este vacío de conocimiento.

Esta sección presenta el desempeño germicida de la radiación UVC lejana, las dosis de UVC lejana 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 mesas de 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 incidente y la distancia incidente se muestra en la Fig. 2. Cuando la distancia incidente se mantuvo en un valor constante de 5 cm, la irradiancia exhibió un patrón de disminución con el ángulo incidente, 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 de incidencia se incrementaron 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 aumentó a 10 cm, 15 cm y 20 cm, respectivamente. , de acuerdo con la variación del factor de visualización. El modelo superficie a superficie (S2S)22 no solo predijo con éxito la variación de la irradiancia con la distancia incidente y el ángulo incidente, 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 de la apariencia exterior; (b) diagrama de la estructura y fotografía de una lámpara excimer.

Comparación entre la irradiancia predicha 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 incidente; (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, la E. coli viva antes y después de la desinfección se muestra en la Fig. 3. Antes de la irradiación UVC lejana, 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.

E. coli viva contada bajo una dosis de irradiación de 1 mJ/cm2 con el método de la placa de vertido: (a) la muestra con la E. coli inoculada antes de la irradiación UVC lejana; (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. Con 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 de no menos de 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 de comidas. Entre estos, 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 irradiación superficial de la lámpara inferior a 100 mW/cm2. La lámpara excimer actual puede proporcionar una irradiación 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 de comedor bajo una distancia incidente de 25 cm.

Números necesarios y posibles posiciones de lámparas UVC lejanas para situaciones típicas de comidas: (a) una lámpara para un solo comensal; (b) dos lámparas para dos comensales sentados frente a frente; (c) dos lámparas para dos comensales sentados en el 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 mesas, con una duración de cena de 5 min. En particular, la irradiancia de la superficie de la lámpara requerida varió con la situación. La Tabla 1 presenta la irradiación mínima requerida de la superficie de la lámpara para lograr una eficiencia de inactivación de no menos de 3 log en el comedor. La eficiencia de inactivación alcanzó valores máximos bajo las lámparas y disminuyó a medida que aumentaba la distancia de la lámpara. Para la situación con una sola lámpara, las isolíneas de eficiencia de inactivación se distribuyeron circularmente en la superficie de la mesa de comedor como se muestra en la Fig. 6a. Cuando se utilizó una mayor cantidad de lámparas, la región de superposición exhibiría una mayor eficiencia de inactivación, como se muestra en la Fig. 6b-d y la Fig. 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 en el 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 irradiación 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 min. Para dos comensales sentados cara a cara, se necesitaba una irradiación de no menos de 33 mW/cm2 para cada lámpara. Este valor era menor que el de la situación (a) debido a la superposición de las regiones irradiadas. Para dos comensales sentados en el mismo lado, cada lámpara tenía que irradiar un comedor distinto debido a la zona superpuesta muy limitada. En consecuencia, la irradiancia requerida era idéntica a la de la situación (a). Desde el punto de vista del ahorro energético, se recomienda sentarse frente a frente para dos comensales. La situación de "tres lámparas para tres comensales" era como una combinación de situación (a) y 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 la entrada de energía total es una preocupación, son preferibles cuatro lámparas. Además, más lámparas suponen una mayor flexibilidad para los usuarios pero supondrán una mayor inversión inicial.

La situación del comedor (f), que tenía la irradiación total más alta, se seleccionó como ejemplo para el análisis de la exposición de los comensales a la luz UVC lejana. La radiación 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 a la protección proporcionada por la pantalla. La dosis alta de radiación UVC lejana se concentró principalmente en el abdomen, con un valor máximo de 23 mJ/cm2. La exposición a la UVC lejana en la superficie humana no superó los valores límite de umbral (TLV) diarios de 8 h de 23 mJ/cm2 propuestos por la Comisión Internacional sobre Protección contra la Radiación No Ionizante (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 luz 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 UVC lejana recibida sería menor que los valores analizados anteriormente. Mientras tanto, la forma de la pantalla de la lámpara también se puede optimizar para reducir la irradiación en las superficies humanas.

Dosis de irradiación UVC lejana recibida por los comensales en 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 de la lámpara, lo que resultó en un aumento de la 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 diluía rápidamente y luego se distribuía uniformemente en el comedor gracias a la buena mezcla que proporcionaba 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 de ozono elevada 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 concentración elevada de ozono en las zonas de respiración de los 16 comensales. Entre los comensales, casi la mitad de ellos tenían 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. En vista de la posible descomposición del ozono por los fregaderos en los comedores, la concentración de ozono resultante en el uso práctico sería menor. La concentración máxima permitida de exposición al ozono durante una hora es de 0,16 mg/m3 (alrededor de 80 ppb)25. Por lo tanto, el uso de lámparas UVC lejanas en los comedores no generará un riesgo de exposición al ozono.

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

Esta investigación llevó a cabo 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. La E. coli en pequeños trozos de placas de acero inoxidable también podría muestrearse de manera más eficiente para la incubación y el conteo.

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

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

La dosis de irradiación para lograr una eficiencia de inactivación de 3 log varía mucho entre los diferentes microorganismos. Por ejemplo, las dosis mínimas de irradiación para lograr una eficiencia de inactivación de 3 log para el virus de la influenza A, SARS-CoV-2 y Staphylococcus aureus fueron de 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 desinfectó 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.

Puede haber películas de agua o aceite en las superficies de las mesas de comedor debido a los trapos que se usan para limpiar las mesas oa los residuos de alimentos. Las películas líquidas y otras impurezas pueden afectar la eficiencia de inactivación de la radiación 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 impurezas31. Ambas dosis de irradiación fueron mayores que los 12,8 mJ/cm2 informados en la placa de acero inoxidable, aunque el estudio en la literatura31 utilizó UVC254nm. Los impactos de la película líquida para la desinfección UVC lejana en las mesas de comedor reales merecen una mayor exploración.

Los materiales utilizados para fabricar mesas de comedor incluyen no solo 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 en el rendimiento germicida sujeto a la radiación UVC. Se informó que la resistencia de los sustitutos bacterianos a la inactivación aumentó con la rugosidad del material de envasado de alimentos33. Los microorganismos sobre una superficie rugosa pueden recibir una dosis de irradiación más baja que los que se encuentran sobre una superficie lisa. Es posible que estudios posteriores realicen pruebas de desinfección en mesas de diferentes materiales y con diferentes niveles de rugosidad.

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

Las manos del comensal pueden estar expuestas a la radiación UVC lejana durante la comida. Sin embargo, es común que ambas manos se muevan durante una comida y, por lo tanto, la dosis de UVC recibida puede variar con 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 investigación.

Esta investigación llevó a cabo tanto experimentos como modelos numéricos para explorar el desempeño germicida de la irradiación UVC lejana, evaluar las dosis de UVC lejana 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 irradiación de la lámpara, el número de lámparas y las posiciones, la irradiación UVC lejana puede lograr una inactivación de 3 log para una duración de cena de 5 min.

Las dosis máximas de UVC lejanas a las que se exponen los comensales se sitúan en el abdomen. La lámpara UVC lejana tiene un bajo riesgo de daño 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, únicamente como resultado del encendido de las lámparas UVC lejanas. El uso de lámparas UVC lejanas en un comedor ventilado mecánicamente no genera 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 entrada eléctrica nominal era de 10 W. El marco 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 matrices multientrelazadas de microcavidades llenas del gas noble KrCl. Cuando se enciende la lámpara, 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 pico en 221 nm36. Se midió que la irradiación 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 hermética a la luz para concentrar la radiación. La pantalla de la lámpara se montó en un marco retráctil a través de un eje, lo que permite 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 dimensiones de 120 cm (largo) × 60 cm (ancho) × 70 cm (alto). La mesa podía acomodar a cuatro comensales a la vez. La irradiancia UVC lejana se midió en diferentes posiciones en la superficie de la mesa, como se muestra en la Fig. 2a. Estas posiciones se etiquetaron 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, a saber, A1 a A4, que van desde 5 a 20 cm con un intervalo de 5 cm. El diseño anterior se utilizó para examinar la irradiancia bajo diferentes ángulos de incidencia y distancias de incidencia.

La irradiancia UVC lejana se midió utilizando un medidor de luz 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 irradiación 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 desempeño germicida de la radiación UVC lejana se puede evaluar 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, CFU/mL. La eficiencia de inactivación obtenida está estrechamente relacionada con la dosis de irradiación como la integración de la irradiancia con el tiempo.

El microbio que está presente antes y después de la irradiación UVC lejana debe tomarse una muestra para determinar la eficiencia de inactivación. Se seleccionó E. coli como el microorganismo de prueba porque está presente con frecuencia en las mesas de comedor. E. coli (ATCC 25,922) se utilizó en esta investigación y se adquirió de Haibo Biotechnology (Qingdao, China). Antes de la prueba, se preparó una suspensión de E. coli de acuerdo con los procedimientos estándar31. Luego se extrajeron 20 μL de la suspensión con una pipeta y se espolvorearon uniformemente sobre una pieza de placa de acero inoxidable tipo 304 con dimensiones de 1,00 cm (largo) × 1,00 cm (ancho) × 0,05 cm (grosor). 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 min 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 min para separar la 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 de E. coli vivas 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 experimental se establecieron para obtener concentraciones de E. coli antes y después de la irradiación UVC lejana. En cuanto al grupo 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 control. El propósito de la prueba de grupo en blanco era 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 en cada dosis. Por lo tanto, se realizaron un total de 75 pruebas.

La irradiación UVC lejana en las superficies de las mesas de comedor se resolvió con el modelo de radiación S2S 22, despreciando la absorción, la emisión y la dispersión de la radiación en el medio y preservando solo la radiación "superficie a superficie" entre las paredes sólidas37. El flujo radiante que sale de una superficie dada se compone de radiación directamente emitida y reflejada. El flujo radiante de 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 superficial, 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 del 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 irradiación superficial de 1,5 mW/m2. Para las soluciones numéricas se empleó el software ANSYS-FLUENT. Se generó un total de 1,5 millones de celdas de cuadrícula tetraédrica 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 de 1,2. Los factores de vista en el modelo S2S y las ecuaciones de energía fueron discretizados por el esquema contra el viento de segundo orden. La iteración en cada paso de tiempo continuó hasta que se alcanzó el criterio de convergencia de 10−5 para el residuo 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 de la sección de un grandes comedores como los que se encuentran en las universidades. Los comensales tenían una altura sentada de 1,26 m, y las medidas geométricas de las mesas de comedor eran las mismas que las utilizadas en la prueba experimental. Se colocaron lámparas UVC lejanas sobre las mesas para inactivar los microbios. Cuatro lámparas fluorescentes con dimensiones de 1,25 m (largo) × 0,15 m (ancho) × 0,06 m (alto) se montaron en el techo para proporcionar iluminación. El comedor se equipó con un sistema de ventilación mixta. El aire acondicionado se suministró a través de un difusor cuadrado en el centro del techo, y el aire interno se extrajo a través de dos escapes cuadrados simétricos. Las longitudes tanto del difusor como de los escapes eran de 0,15 m. Se generó un total de 1,8 millones de celdas de cuadrícula tetraédrica no uniforme en el dominio, con un tamaño de cuadrícula más fino de 4 mm cerca del difusor, los escapes, las lámparas fluorescentes, las mesas de comedor, las lámparas UVC lejanas y los comedores. Mientras tanto, el tamaño de la cuadrícula en otras regiones aumentó gradualmente a 50 mm con una tasa de crecimiento de 1,2.

Modelo geométrico de un comedor utilizando lámparas UVC lejanas para desinfectar mesas de comedor.

El número tanto de comensales como de lámparas variaba según la situación considerada. Una mesa de comedor puede acomodar simultáneamente de uno a cuatro comensales, y pueden sentarse en el mismo lado o cara a cara si hay varios comensales. Como se muestra en la Fig. 5, cuando solo hay un comensal, la lámpara UVC lejana se puede colocar justo encima del comedor. Dos comensales pueden sentarse cara a cara 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 uno y cuatro.

Las lámparas UVC lejanas se colocaron 25 cm por encima de la mesa. Las lámparas se encendieron 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. Se varió la irradiación superficial de las lámparas excimer 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 min para garantizar la seguridad humana.

Además de la eficiencia de 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 irradiación UVC lejana superficial de 1,5 mW/cm2 se midió como 17,27 ± 3,05 μg/h utilizando 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 supuso una relación lineal entre la emisión de ozono y la irradiación superficial. 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, las tasas de eliminación de ozono por parte de estos sumideros se ignoraron en esta investigación, lo que puede haber resultado en 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 de 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 emitió un flujo de calor estable de 48,3 W/m2. La irradiación 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 razón de 476 m3/h. Los dos extractores de aire simétricos extrajeron el aire interno a tasas 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 de la tasa de supervivencia de un microorganismo con la dosis de irradiación. La concentración de ozono se modeló como un escalar pasivo y, por lo tanto, estuvo sujeta al flujo de aire turbulento interior. El modelo de turbulencia RNG k–ε junto con la función de pared estándar se empleó para la solución de flujo40. 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 por el esquema PRESTO, mientras que las demás variables fueron discretizadas por el esquema contra el viento de segundo orden.

Los criterios convergentes para la irradiación 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 residuo relativo de la ecuación de continuidad era inferior a 10−5 y las demás variables eran inferiores a 10−3; (2) la relación entre las tasas de flujo de masa neta 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 máxima ganancia 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 complementaria.

Oomaki, M., Yorioka, K., Oie, S. & Kamiya, A. Contaminación por Staphylococcus aureus en la superficie de las mesas de trabajo en los centros de personal de sala y sus métodos preventivos. Biol. Farmacia Toro. 29, 1508–1510 (2006).

Artículo CAS Google Académico

Guentert, A. & Linton, R. Crecimiento y supervivencia de patógenos seleccionados en productos para untar de mesa estilo margarina. J. Medio Ambiente. Salud. 65, 9–14 (2003).

CAS Google Académico

Kleiner, U. & Scbinkel, K. Investigaciones para la supervivencia de L. monocytogenes en superficies. Fleischwirtschaft 84, 110–112 (2004).

Google Académico

Aboubakr, H., Sharafeldin, T. & Goyal, S. Estabilidad del SARS-CoV-2 y otros coronavirus en el medio ambiente y en superficies táctiles comunes y la influencia de las condiciones climáticas: una revisión. Transfronterizo. emergente Dis. 68, 296–312 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Mattick, K. et al. La supervivencia de los patógenos transmitidos por los alimentos durante el lavado doméstico y su posterior transferencia a las esponjas de lavado, las superficies de la cocina y los alimentos. En t. J. Food Microbiol. 85, 213–226 (2003).

Artículo Google Académico

Lu, S. et al. Microorganismos patógenos transportados por el aire y desarrollo de tecnología de limpieza del aire: una revisión. J. Peligro. Mate. 424, 127429 (2022).

Artículo Google Académico

Choi, K., Yu, H. & Lee, S. Alimentos microbianos: microorganismos reutilizados para nuestros alimentos. Microbio. Biotecnología. 15, 18–25 (2022).

Artículo Google Académico

Reynolds, KA, Watt, PM, Boone, SA y Gerba, CP Ocurrencia de bacterias y marcadores bioquímicos en superficies públicas. En t. J. Medio Ambiente. Salud R. 15, 225–234 (2005).

Artículo CAS Google Académico

Zhao, M. et al. Evaluación de la transmisión de aerosoles de COVID-19 en el entorno alimentario de un campus universitario mediante un método numérico. Frente Geosico. 13, 101353 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Laura, G. et al. Monitorización microbiológica de broncoscopios flexibles tras desinfección de alto nivel y lavado de canales con alcohol: resultados y costes. resp. Medicina. 109, 1079–1085 (2015).

Artículo Google Académico

Mbithi, J., Springthorpe, V. & Sattar, S. Desinfección química del virus de la hepatitis A en superficies ambientales. aplicación Reinar. Microbio. 56, 3601–3604 (1990).

Artículo ADS CAS Google Académico

Malyshev, D., Dahlberg, T., Wiklund, K., Andersson, PO y Andersson, M. Modo de acción de los productos químicos de desinfección en la estructura de esporas bacterianas y sus espectros Raman. Anal. química 93, 3146–3153 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Walker, J. Efectos de los productos químicos en los microorganismos. Contaminación del agua. Estafa. Alimentado. 61, 1077–1097 (1989).

Google Académico

Mehtar, S., Bulabula, AN, Nyandemoh, H. y Jambawai, S. Exposición deliberada de humanos al cloro: las secuelas del ébola en África occidental. Antimicrobiano Resistir. En t. 5, 1–8 (2016).

Google Académico

Buonanno, M., Welch, D., Shuryak, L. & Brenner, DJ Far-UVC light (222 nm) inactiva de manera eficiente y segura los coronavirus humanos en el aire. ciencia Rep. 10, 10285 (2020).

Artículo ADS CAS Google Académico

Epstein, JH, Fukuyama, K. & Fye, K. Efectos de la radiación ultravioleta sobre el ciclo mitótico y la síntesis de ADN, ARN y proteínas en la epidermis de mamíferos in vivo. fotoquímica Fotobiol. 12(1), 57–65 (1970).

Artículo CAS Google Académico

Kowalski, W. Manual de irradiación germicida ultravioleta (Springer, 2009).

Libro Google Académico

Maurya, D. et al. Desarrollo de túnel autónomo de desinfección avanzada para abordar la desinfección de superficies externas del virus COVID-19 en lugares públicos. Trans. Nacional de la India. Academia Ing. 5, 281–287 (2020).

Artículo Google Académico

Narita, K. et al. La luz ultravioleta C con una longitud de onda de 222 nm inactiva un amplio espectro de patógenos microbianos. J.Hosp. Infectar. 105, 459–467 (2020).

Artículo Google Académico

Kaidzu, S. et al. Evaluación del daño corneal agudo inducido por luz ultravioleta de 222 nm y 254 nm en ratas Sprague-Dawley. Radico libre. Res. 53, 611–617 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Shen, J. & Gao, Z. Eliminación de ozono en la superficie del material de construcción: una revisión de la literatura. Construir. Reinar. 134, 205–217 (2018).

Artículo Google Académico

Guía teórica de ANSYS FLUENT 12.0: 5.3.7 Teoría del modelo de radiación de superficie a superficie (S2S). (2009).

Hiroki, K. et al. Efectividad de la luz ultravioleta de 222 nm en la desinfección de la contaminación superficial por SARS-CoV-2. Am J Infect Control 49, 299–301 (2021).

Artículo Google Académico

ICNIRP (Comisión Internacional de Protección contra la Radiación No Ionizante). en Directrices sobre los límites de exposición a la radiación ultravioleta de longitudes de onda entre 180 y 400 nm (radiación óptica incoherente) (2004).

GB/T 18883–2002. en el Estándar de Calidad del Aire Interior de China. (2002).

Ruetalo, N., Berger, S., Niessner, J. y Schindler, M. Inactivación del SARS-CoV-2 en aerosol mediante irradiación UV-C de 254 nm. Aire Interior 32, 13115 (2022).

Artículo Google Académico

Reed, NG La historia de la irradiación germicida ultravioleta para la desinfección del aire. Informe de salud pública 125, 15–27 (2010).

Artículo Google Académico

Luo, H. & Zhong, L. Irradiación germicida ultravioleta (UVGI) para la desinfección de bioaerosoles en el aire en conductos: revisión y análisis de factores de diseño. Construir Entorno. 197, 107852 (2021).

Artículo Google Académico

Kna, B. et al. La luz ultravioleta C con una longitud de onda de 222 nm inactiva un amplio espectro de patógenos microbianos. J.Hosp. Infectar. 105, 459–467 (2020).

Artículo Google Académico

Inagaki, H., Saito, A. y Sugiyama, H. Inactivación rápida del SARS-CoV-2 con irradiación LED UV profunda. emergente Microbios Infec. 9, 1744 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Zhou, XQ, Li, ZF, Lan, JR, Yan, YC y Zhu, N. Cinética de inactivación y fotorreactivación de Escherichia coli mediante desinfección con diodos emisores de luz UV-C mejorada con ultrasonido. Ultrasonido. Sonochem. 35, 471–477 (2017).

Artículo CAS Google Académico

Valentina, V. et al. Un enfoque de desinfección UV-C eficiente y una estrategia de evaluación biológica para micrófonos. aplicación ciencia 12, 7239 (2022).

Artículo Google Académico

Kim, DK & Kang, DH Efecto de las características de la superficie sobre la eficacia bactericida de los LED UVC. Control de alimentos 108, 106869 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Zhang, H., Jin, X., Nunayon, S. & Lai, AC Desinfección por lámparas ultravioleta en conducto bajo diferentes condiciones ambientales en flujos de aire turbulentos. Aire interior 30, 500–511 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Brimblecombe, P. & Wayne, R. Química de las atmósferas. J. Ecol. 74, 616 (1985).

Artículo Google Académico

Milad, R. & Fariborz, T. La lámpara UV de microplasma como nueva fuente para el tratamiento de agua inducido por UV: protocolos para caracterización y estudio cinético. Agua Res. 164, 114959 (2019).

Artículo Google Académico

Chhanwal, N., Anishaparvin, A., Indrani, D., Raghavarao, K. y Anandaramakrishnan, C. Modelado de dinámica de fluidos computacional (CFD) de un horno de calentamiento eléctrico para el proceso de horneado de pan. J. Ing. de Alimentos. 100, 452–460 (2010).

Artículo Google Académico

Tang, TQ, Zhang, BT, Zhang, J. & Wang, T. Análisis estadístico y modelado del flujo de peatones en el comedor universitario durante el período pico. física A 521, 29–40 (2019).

Artículo Google Académico

Yang, S., Gao, K. & Yang, X. Formación de compuestos orgánicos volátiles (COV) debido a las interacciones entre el ozono y la ropa con aceite para la piel: mediciones mediante el método de extracción-análisis-reacción. Construir. Reinar. 103, 146–154 (2016).

Artículo Google Académico

Liu, M. et al. Evaluación de diferentes sistemas de distribución de aire en la cabina de un avión comercial en términos de comodidad y riesgo de infección por COVID-19. Construir. Reinar. 208, 108590 (2022).

Artículo Google Académico

Zhao, XW, Liu, SM, Yin, YG, Zhang, TF y Chen, QY Transmisión aérea del virus COVID-19 en espacios cerrados: descripción general de los métodos de investigación. Aire interior 32, 13056 (2022).

Artículo Google Académico

Descargar referencias

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

Laboratorio de Control de Calidad Ambiental del Aire Interior de Tianjin, Escuela de Ciencias e Ingeniería Ambientales, Universidad de Tianjin, Tianjin, China

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 radiación ultravioleta C lejana para la desinfección de mesas de comedor. Informe científico 13, 381 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27380-2

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Recibido: 13 Septiembre 2022

Aceptado: 02 enero 2023

Publicado: 07 enero 2023

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

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