La irradiación germicida ultravioleta (UVGI) es una técnica de desinfección que emplea luz ultravioleta (UV), particularmente UV-C (180-280 nm), para matar o inactivar microorganismos . La UVGI inactiva principalmente los microbios al dañar su material genético, inhibiendo así su capacidad para llevar a cabo funciones vitales. [1]
El uso de UVGI se extiende a una variedad de aplicaciones, que abarcan la desinfección de alimentos, superficies, aire y agua. Los dispositivos UVGI pueden inactivar microorganismos incluyendo 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 de coronavirus que causa el 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 de mercurio de baja presión (LP-Hg) , con emisiones máximas de 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 de hospitales, UVGI de habitaciones superiores y tratamiento de agua . [14] [15] [16] Más recientemente, la aplicación de longitudes de onda entre 200 y 235 nm, a menudo denominadas UVC lejano, ha ganado fuerza 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]
El desarrollo de UVGI se remonta a 1878, cuando Arthur Downes y Thomas Blunt descubrieron que la luz solar, particularmente sus longitudes de onda más cortas, obstaculizaba 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 , insinuando 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 ultravioleta de la luz solar tenía el efecto bactericida más potente. [31] [32] La investigación realizada a principios de la década de 1890 demostró 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 revelaron 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 cuantitativa 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 , insinuando 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 investigaciones que demostraron la capacidad de la UV-C para formar dímeros de timina , lo que lleva a la inactivación microbiana. [40] Estos primeros hallazgos sentaron colectivamente las bases para la UVGI moderna como herramienta de desinfección.
La utilización de UVGI para la desinfección del aire comenzó en serio a mediados de la década de 1930. William F. Wells demostró en 1935 que los organismos infecciosos transportados por el aire, específicamente B. coli en aerosol expuesto a rayos UV de 254 nm, podían inactivarse rápidamente. [41] Esto se basó en teorías anteriores sobre la transmisión de núcleos de gotitas infecciosas presentadas por Carl Fluugge y el propio Wells. [42] [43] Antes de esto, la radiación UV se había estudiado predominantemente en el contexto de medios líquidos o sólidos, en lugar de microbios en el aire.
Poco después de los experimentos iniciales de Wells, se empleó UVGI de alta intensidad para desinfectar el quirófano de un hospital en la Universidad de Duke en 1936. [44] El método resultó un éxito, reduciendo las infecciones postoperatorias de heridas del 11,62% sin el uso de UVGI al 0,24% con el uso de UVGI. [45] Pronto, este enfoque se extendió a otros hospitales y salas infantiles utilizando "cortinas de luz" UVGI, diseñadas para prevenir infecciones respiratorias cruzadas, con un éxito notable. [46] [47] [48] [49]
Los ajustes en la aplicación de UVGI provocaron un cambio de "cortinas de luz" a UVGI en las habitaciones superiores, 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 fue ejemplificado por el uso exitoso de Wells de UVGI en las habitaciones superiores 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 escuelas sin UVGI se infectaron, mientras que sólo el 13,3% de los susceptibles en escuelas con UVGI se infectaron. [53]
Richard L. Riley, inicialmente estudiante de Wells, continuó el estudio de las infecciones transmitidas por el aire y la UVGI durante las décadas de 1950 y 1960, realizando importantes experimentos en una sala de tuberculosis del Hospital de Veteranos. Riley demostró con éxito que la UVGI 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 UVGI disminuyó en la segunda mitad del siglo XX debido a varios factores, incluido un aumento en los métodos alternativos de prevención y control de infecciones, resultados de eficacia inconsistentes y preocupaciones con respecto a sus requisitos de seguridad y mantenimiento. [14] Sin embargo, eventos recientes como el aumento de bacterias resistentes a múltiples medicamentos y la pandemia de COVID-19 han renovado el interés en la UVGI para la desinfección del aire. [57] [58] [59] [60]
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 mala fiabilidad. En 1955, se utilizaron sistemas de tratamiento de agua por rayos UV en Austria y Suiza; en 1985 había en Europa unas 1.500 plantas. En 1998 se descubrió que protozoos como el cryptosporidium y la giardia eran más vulnerables a la luz ultravioleta de lo que se pensaba anteriormente; Esto abrió el camino al uso a gran escala del tratamiento de agua con rayos UV en América del Norte. En 2001, más de 6.000 plantas de tratamiento de agua con rayos UV estaban operativas en Europa. [62]
Con el tiempo, los costos de la luz ultravioleta han disminuido a medida que los investigadores desarrollan y utilizan nuevos métodos ultravioleta para desinfectar el agua y las aguas residuales. Varios países han publicado regulaciones y directrices para el uso de rayos UV para desinfectar los suministros de agua potable, incluidos los EE. UU. [63] [64] [65] y el Reino Unido. [66]
La luz ultravioleta es una radiación electromagnética con longitudes de onda más cortas que la luz visible pero más largas que los rayos X. Los rayos UV se clasifican en varios rangos de longitud de onda, y los rayos UV de longitud de onda corta (UV-C) se consideran "UV germicidas". Los ácidos nucleicos absorben fuertemente longitudes de onda entre aproximadamente 200 nm y 300 nm . La energía absorbida puede provocar defectos, incluidos los dímeros de pirimidina . Estos dímeros pueden impedir la replicación o impedir la expresión de proteínas necesarias, lo que provoca la muerte o la inactivación del organismo. Recientemente se ha demostrado que estos dímeros son fluorescentes. [68]
Este proceso es similar, pero más fuerte, al efecto de longitudes de onda más largas ( UV-B ) que producen quemaduras solares en humanos. Los microorganismos tienen menos protección contra los rayos UV y no pueden sobrevivir a una exposición prolongada a ellos. [ cita necesaria ]
Un sistema UVGI está diseñado para exponer entornos como tanques de agua , habitaciones y sistemas de aire forzado a rayos UV germicidas. La exposición proviene de lámparas germicidas que emiten rayos UV germicidas en la longitud de onda correcta, irradiando así el medio ambiente. El flujo forzado de aire o agua a través de este entorno garantiza la exposición de ese aire o agua. [ cita necesaria ]
La eficacia de los rayos UV germicidas depende de la duración de la exposición de un microorganismo a los rayos UV, la intensidad y longitud de onda de la radiación UV, la presencia de partículas que pueden proteger a los microorganismos de los rayos UV y la capacidad de un microorganismo para resistir los rayos UV durante su exposición.
En muchos sistemas, la exposición redundante de los microorganismos a los rayos UV se logra haciendo circular el aire o el agua repetidamente. Esto garantiza múltiples pases para que los rayos UV sean efectivos contra la mayor cantidad de microorganismos e irradiarán microorganismos resistentes más de una vez para descomponerlos.
A menudo se dice erróneamente que la " esterilización " es 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 reprimendas legales. 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 esterilización. Esto tiene en cuenta un fenómeno conocido como reparación de 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.
La eficacia de esta forma de desinfección depende de la exposición de los microorganismos a la luz ultravioleta en la línea de visión . Los entornos donde el diseño crea obstáculos que bloquean la luz ultravioleta no son tan efectivos. En un entorno de este tipo, la eficacia depende de la ubicación del sistema UVGI de modo que la línea de visión sea óptima para la desinfección.
El polvo y las películas que recubren la bombilla reducen la emisión de rayos UV. Por lo tanto, las bombillas requieren una limpieza y sustitución periódicas 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 producción de rayos UV. Se pueden lograr aumentos en la efectividad y la intensidad de los rayos UV mediante el uso de la reflexión. El aluminio tiene la tasa de reflectividad más alta en comparación con otros metales y se recomienda cuando se usa UV. [71]
Un método para medir la eficacia de los rayos UV en aplicaciones de desinfección de agua es calcular la dosis de rayos UV. La Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (EPA) publicó pautas de dosificación de UV para aplicaciones de tratamiento de agua en 1986. [72] La dosis de UV no se puede medir directamente, pero se puede inferir en función de los aportes conocidos o estimados al proceso:
En aplicaciones de desinfección de aire y superficies, la eficacia de los rayos UV se estima calculando la dosis de rayos UV que se entregará a la población microbiana. La dosis de UV se calcula de la siguiente manera:
La intensidad UV se especifica para cada lámpara a una distancia de 1 metro. La intensidad de los rayos UV es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, por lo que disminuye a distancias más largas. Alternativamente, aumenta rápidamente a distancias inferiores a 1 m. En la fórmula anterior, la intensidad UV siempre debe ajustarse según la distancia, a menos que la dosis UV se calcule exactamente a 1 m (3,3 pies) de la lámpara. Además, para garantizar la eficacia, la dosis de UV debe calcularse al final de la vida útil de la lámpara (el EOL se especifica en el número de horas en las que se espera que la lámpara alcance el 80 % de su producción de UV inicial) y en la distancia más alejada de la lámpara encendida. la periferia del área objetivo. Algunas lámparas irrompibles están recubiertas con un polímero de etileno fluorado para contener fragmentos de vidrio y mercurio en caso de rotura; este recubrimiento reduce la salida de rayos UV hasta en un 20%.
Para predecir con precisión qué dosis de UV se aplicará al objetivo, la intensidad de UV, ajustada según la distancia, el recubrimiento y el final de la vida útil de la lámpara, se multiplicará por el tiempo de exposición. En aplicaciones estáticas, el tiempo de exposición puede ser tan largo como sea necesario para alcanzar una dosis de UV eficaz. En caso de que el aire se mueva rápidamente, por ejemplo en los conductos de aire acondicionado, el tiempo de exposición es corto, por lo que la intensidad de los rayos UV debe aumentarse introduciendo múltiples lámparas UV o incluso bancos de lámparas. Además, lo ideal es que la instalación UV esté ubicada en una sección de conducto larga y recta con las lámparas dirigiendo la UVC en una dirección paralela al flujo de aire para maximizar el tiempo de irradiación del aire.
Estos cálculos en realidad predicen la fluencia de UV y se supone que la fluencia de UV será igual a la dosis de UV. La dosis de UV es la cantidad de energía UV germicida absorbida por una población microbiana durante un período de tiempo. Si los microorganismos son planctónicos (flotan libremente), la fluencia de los rayos UV será igual a la dosis de los rayos UV. Sin embargo, si los microorganismos están protegidos por partículas mecánicas, como polvo y suciedad, o han formado una biopelícula , se necesitará una fluencia de UV mucho mayor para introducir una dosis de UV eficaz en la población microbiana.
El grado de inactivación por radiación ultravioleta está directamente relacionado con la dosis de UV aplicada al agua. La dosis, un producto de la intensidad de la luz ultravioleta y el tiempo de exposición, generalmente se mide en microjulios por centímetro cuadrado, o equivalentemente en microvatios segundo por centímetro cuadrado (μW·s/cm 2 ). Las dosis para matar el 90% de la mayoría de las bacterias y virus oscilan entre 2.000 y 8.000 μW·s/cm 2 . Los parásitos más grandes, como el Cryptosporidium, requieren una dosis más baja para su inactivación. Como resultado, la EPA de EE. UU. ha aceptado la desinfección UV como 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
Los dispositivos de tratamiento de agua UV se pueden utilizar para la desinfección del agua de pozo y del agua superficial. El tratamiento UV se compara favorablemente con otros sistemas de desinfección de agua en términos de costo, mano de obra y necesidad de personal técnicamente capacitado para su operación. La cloración del agua trata organismos más grandes y ofrece desinfección residual, pero estos sistemas son costosos porque necesitan capacitación especial del operador y un suministro constante de un material potencialmente peligroso. Finalmente, hervir agua es el método de tratamiento más fiable pero exige mano de obra e impone un coste económico elevado. El tratamiento UV es rápido y, en términos de uso de energía primaria, aproximadamente 20.000 veces más eficiente que la ebullición. [ cita necesaria ]
La desinfección UV es más eficaz para tratar agua destilada de ósmosis inversa purificada de alta claridad . Las partículas suspendidas son un problema porque los microorganismos enterrados dentro de las partículas están protegidos de la luz ultravioleta y pasan a través de la unidad sin verse afectados. Sin embargo, los sistemas UV se pueden combinar 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 transmitancia de la luz y, por tanto, la dosis de UV en toda la columna de agua. Otro factor clave del tratamiento del agua con rayos UV es el caudal: si el flujo es demasiado alto, el agua pasará sin suficiente exposición a los rayos UV. Si el flujo es demasiado bajo, se puede acumular calor y dañar la lámpara UV. [74]
Una desventaja de UVGI es que, si bien el agua tratada mediante cloración es resistente a la reinfección (hasta que se libera cloro), el agua UVGI no es resistente a la reinfección. El agua UVGI debe transportarse o entregarse de forma que se evite la reinfección.
Muchos sistemas UVGI utilizan longitudes de onda UV que pueden ser dañinas para los humanos y provocar efectos tanto inmediatos como a largo plazo. Los impactos 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] [75]
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 presentan el mismo nivel de peligros. Los seres humanos suelen encontrar la luz ultravioleta en forma de radiación ultravioleta solar, que comprende porciones importantes de UV-A y UV-B , pero excluye la UV-C . La banda UV-B, capaz de penetrar profundamente en los tejidos vivos que se replican, es reconocida como la más dañina y cancerígena . [76]
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 dificulta atribuir efectos dañinos a una longitud de onda específica. [77] Sin embargo, las longitudes de onda más largas en la banda UV-C pueden causar afecciones como fotoqueratitis y eritema. [22] [78] Por lo tanto, muchos sistemas UVGI se utilizan en entornos donde la exposición humana directa es limitada, como los purificadores de aire UVGI de las habitaciones superiores y los sistemas de desinfección de agua.
Comúnmente se implementan precauciones para proteger a los usuarios de estos sistemas UVGI, que incluyen:
Desde principios de la década de 2010 ha habido un interés creciente en las longitudes de onda UVC lejanas 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 . [79] [80] Esta característica limita la exposición a la radiación 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] [81] [82] [83] Como estos tejidos no contienen células replicantes, el daño a ellos presenta menos riesgo cancerígeno. 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 UV solar o los sistemas UVGI convencionales de 254 nm. [84] [85] [22]
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 . [86] Esto ocurre principalmente a través de la fotólisis , donde los fotones UV rompen las moléculas en radicales más pequeños que forman radicales como OH. [87] Los radicales pueden reaccionar con compuestos orgánicos volátiles (COV) para producir COV oxidados (OVOC) y aerosoles orgánicos secundarios (SOA). [88]
Las longitudes de onda inferiores a 242 nm también pueden generar ozono, que no sólo contribuye a la formación de OVOC y SOA, sino que también puede ser perjudicial 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 . [89]
Los contaminantes específicos producidos dependen de la química inicial del aire y de la potencia y longitud de onda de la fuente UV. Para controlar el ozono y otros contaminantes interiores, se utilizan métodos de ventilación y filtración , diluyendo los contaminantes en el aire y manteniendo la calidad del aire interior. [90]
Los límites de exposición a los rayos UV, en particular el rango germicida UV-C, han evolucionado con el tiempo debido a la investigación científica y 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 proteger contra los efectos inmediatos y a largo plazo de la exposición a los rayos UV. [91] [92] Estos límites, también conocidos como valores límite umbral (TLV), forman la base para los límites de emisión en las normas de seguridad de los productos.
La banda espectral fotobiológica UV-C se define como 100 a 280 nm, y actualmente solo se aplican límites de 180 a 280 nm. Esto refleja preocupaciones sobre daños agudos como el eritema y la fotoqueratitis, así como sobre efectos retardados a largo plazo como la fotocarcinogénesis . Sin embargo, con el aumento de la evidencia de seguridad en torno a la UV-C para aplicaciones germicidas, los TLV de la ACGIH existentes se revisaron en 2022. [93]
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 de 161 mJ/cm 2 para la exposición ocular y de 479 mJ/cm 2 para la exposición de la piel durante un período de ocho horas. [94] 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. [94]
La radiación UVC es capaz de romper los enlaces químicos. Esto conduce a un rápido envejecimiento de los plásticos y otros materiales, así como del aislamiento y las juntas . Los plásticos vendidos como "resistentes a los rayos UV" se prueban sólo para los rayos UVB de menor energía, ya que los UVC normalmente no llegan a la superficie de la Tierra. [95] Cuando se utilizan rayos UV cerca de plástico, caucho o aislamiento, estos materiales pueden protegerse con cinta metálica o papel de aluminio.
UVGI se puede utilizar para desinfectar el aire con exposición prolongada. En las décadas de 1930 y 1940, un experimento en escuelas públicas de Filadelfia demostró que las lámparas ultravioleta en las habitaciones superiores podían reducir significativamente la transmisión del sarampión entre los estudiantes. [96] En 2020, la UVGI se está investigando nuevamente como una posible contramedida contra el COVID-19 . [97] [98]
La luz ultravioleta y violeta son capaces de neutralizar la infectividad del SARS-CoV-2 . [99] Los títulos virales que generalmente se encuentran en el esputo de los pacientes con COVID-19 se inactivan completamente mediante niveles de irradiación UV-A y UV-B que son similares a los niveles experimentados por la exposición natural al sol . Este hallazgo sugiere que la incidencia reducida del SARS-COV-2 en el verano puede deberse, en parte, a la actividad neutralizante de la irradiación solar ultravioleta. [99]
Se pueden utilizar varios dispositivos emisores de rayos UV para la desinfección del SARS-CoV-2, y estos dispositivos pueden ayudar a reducir la propagación de la infección. [100] El SARS-CoV-2 puede inactivarse mediante una amplia gama de longitudes de onda UVC, y la longitud de onda de 222 nm proporciona el rendimiento de desinfección más eficaz. [100]
La desinfección es función de la intensidad y el tiempo de los rayos UV. Por esta razón, en teoría no es tan eficaz con 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 UVGI en realidad aumenta cuando se usa junto con ventiladores y ventilación HVAC, que facilitan la circulación en toda la habitación, lo que expone más aire a la fuente de rayos UV. [101] [102] Los sistemas UVGI de purificación de aire pueden ser unidades independientes con lámparas UV protegidas que utilizan un ventilador para forzar el aire a pasar la luz UV. Otros sistemas se instalan en sistemas de aire forzado para que la circulación del local mueva los microorganismos a través de las lámparas. La clave para esta forma de esterilización es la colocación de lámparas UV y un buen sistema de filtración para eliminar los microorganismos muertos. [103] Por ejemplo, los sistemas de aire forzado por diseño impiden la línea de visión, creando así áreas del entorno que estarán protegidas de la luz ultravioleta. Sin embargo, una lámpara UV colocada en los serpentines y bandejas de drenaje de los sistemas de enfriamiento evitará que se formen microorganismos en estos lugares naturalmente húmedos.
La desinfección ultravioleta del agua es un proceso puramente físico y libre de químicos. Incluso se reducen eficazmente parásitos como Cryptosporidium o Giardia , que son extremadamente resistentes a los desinfectantes químicos. Los rayos UV también se pueden utilizar para eliminar especies de cloro y cloramina del agua; este proceso se llama fotólisis y requiere una dosis mayor que la desinfección normal. Los microorganismos muertos no se eliminan del agua. La desinfección UV no elimina los compuestos orgánicos, inorgánicos o partículas disueltos en el agua. [104] La planta de desinfección de agua más grande del mundo trata el agua potable de la ciudad de Nueva York . La instalación de desinfección ultravioleta de agua de Catskill-Delaware , puesta en funcionamiento el 8 de octubre de 2013, incorpora un total de 56 reactores UV energéticamente eficientes que tratan hasta 2,2 mil millones de galones estadounidenses (8,3 mil millones de litros) por día. [105] [106]
El ultravioleta también se puede combinar con ozono o peróxido de hidrógeno para producir radicales hidroxilo que descomponen trazas de contaminantes mediante un proceso de oxidación avanzado .
Solía pensarse que la desinfección UV era más efectiva para bacterias y virus, que tienen material genético más expuesto, que para 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 resultar algo efectiva para tratar el microorganismo Cryptosporidium . Los hallazgos dieron como resultado el uso de la radiación ultravioleta como método viable para tratar el agua potable. A su vez, se ha demostrado que Giardia es muy susceptible a los rayos UV-C cuando las pruebas se basaron en la infectividad en lugar de la exquistación. [107] Se ha descubierto que los protistas pueden sobrevivir a altas dosis de UV-C pero se esterilizan en dosis bajas.
Un proyecto de 2006 de la Universidad de California en Berkeley produjo un diseño para la desinfección económica del agua en entornos privados de recursos. [108] El proyecto fue diseñado para producir un diseño de código abierto que pudiera adaptarse para cumplir con las condiciones locales. En una propuesta algo similar en 2014, estudiantes australianos diseñaron un sistema que utilizaba papel de aluminio para paquetes de papas fritas (crujientes) para reflejar la radiación ultravioleta solar en un tubo de vidrio que desinfecta el agua sin electricidad. [109]
La luz ultravioleta en el tratamiento de aguas residuales suele sustituir a la cloración. Esto se debe en gran parte a la preocupación de que la reacción del cloro con compuestos orgánicos en la corriente de aguas residuales pueda sintetizar compuestos orgánicos clorados potencialmente tóxicos y duraderos y también a los riesgos ambientales de almacenar cloro gaseoso o productos químicos que contienen cloro. Los flujos de residuos individuales que serán tratados con UVGI deben probarse para garantizar que el método sea eficaz debido a posibles interferencias, como sólidos suspendidos , colorantes u otras sustancias que puedan bloquear o absorber la radiación UV. Según la Organización Mundial de la Salud , "se estima que las unidades UV para tratar pequeños lotes (de 1 a varios litros) o bajos flujos (de 1 a varios litros por minuto) a nivel comunitario tienen costos de 20 dólares por megalitro, incluyendo el costo de la electricidad y los consumibles y el costo de capital anualizado de la unidad". [110]
El tratamiento de aguas residuales urbanas con luz ultravioleta se realiza en ciudades como Edmonton, Alberta . El uso de luz ultravioleta se ha convertido en la actualidad 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 deba eliminarse. Muchas instalaciones de aguas residuales están cambiando de nombre a 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. Actualmente se utiliza la luz ultravioleta para garantizar que el agua esté libre de organismos nocivos.
Los esterilizadores ultravioleta se utilizan a menudo para ayudar a controlar microorganismos no deseados en acuarios y estanques. La irradiación UV garantiza que los patógenos no puedan reproducirse, lo que disminuye la probabilidad de que se produzca un brote de enfermedades en un acuario.
Los esterilizadores de 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 separado o una bomba de agua. 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 los rayos UV-C. Muchos de los mejores esterilizadores UV tienen tiempos de permanencia prolongados y limitan el espacio entre la fuente UV-C y la pared interior del dispositivo esterilizador UV. [111] [ se necesita fuente de terceros ]
La UVGI se utiliza a menudo para desinfectar equipos como gafas de seguridad , instrumentos, pipetas y otros dispositivos. El personal del laboratorio también desinfecta el material de vidrio y plástico de esta manera. Los laboratorios de microbiología utilizan UVGI para desinfectar superficies dentro de gabinetes de seguridad biológica ("campanas") entre usos.
Desde que la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE. UU. emitió una regla en 2001 que exige que prácticamente todos los productores de jugos de frutas y vegetales sigan los controles HACCP y exige una reducción de 5 log en patógenos, la UVGI ha tenido cierto uso en la esterilización de jugos como los recién exprimidos.
Los rayos UV germicidas para desinfección suelen generarse mediante una lámpara de vapor de mercurio . El vapor de mercurio a baja presión tiene una fuerte línea de emisión 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 se acercan a los 260 nm. [65] : 2–6, 2–14
Las lámparas de vapor de mercurio pueden clasificarse como lámparas de baja presión (incluidas las de amalgama) o de media presión. Las lámparas UV de baja presión ofrecen alta eficiencia (aprox. 35% UV-C) pero 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 el funcionamiento a una temperatura y densidad de potencia algo más altas. Operan 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 (aprox. 33 % de salida de UV-C) y la densidad de potencia es de aproximadamente 2 a 3 W/cm 3 . Las lámparas UV de presión media funcionan a temperaturas mucho más altas, hasta aproximadamente 800 grados Celsius, y tienen un espectro de salida policromático y una alta salida de radiación, pero una eficiencia UV-C inferior del 10% o menos. La densidad de potencia típica es 30 W/cm 3 o más.
Dependiendo del cristal 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, lo que tiene efectos químicos. La radiación UV a 185 nm se utiliza para generar ozono.
Las lámparas UV para el tratamiento de agua consisten en lámparas especializadas de vapor de mercurio de baja presión que producen radiación ultravioleta a 254 nm, o lámparas UV de media presión que producen una salida policromática desde 200 nm hasta energía visible e infrarroja. La lámpara UV nunca entra en contacto con el agua; está alojado en una funda de vidrio de cuarzo dentro de la cámara de agua o montado 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. [112]
Los avances recientes en la tecnología LED han dado lugar a LED UV-C disponibles comercialmente. Los LED UV-C utilizan semiconductores para emitir luz entre 255 nm y 280 nm. [70] La emisión de longitud de onda se puede sintonizar 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, lo que permite aplicaciones en el punto de uso y la integración en dispositivos médicos. [113] El bajo consumo de energía de los semiconductores introduce sistemas de desinfección UV que utilizaban pequeñas células solares en aplicaciones remotas o del Tercer Mundo. [113]
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 lograr un tiempo de instalación más prolongado que una lámpara germicida tradicional en uso intermitente. Del mismo modo, la degradación de los LED aumenta con el calor, mientras que la longitud de onda de salida de los filamentos y las lámparas HID depende de la temperatura, por lo que los ingenieros pueden diseñar LED de un tamaño y costo particular para tener una mayor producción y una degradación más rápida o una producción menor y una disminución más lenta con el tiempo.
El tamaño de un sistema UV se ve afectado por tres variables: caudal, potencia de la lámpara y transmitancia de UV en el agua. Los fabricantes normalmente desarrollaban modelos sofisticados 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 diversos caudales, transmitancia UV y niveles de potencia para desarrollar un modelo de regresión para el tamaño 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 produce 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 funda de cuarzo. El software CFD patentado simula los perfiles de flujo y radiación. Una vez construido el modelo 3D de la cámara, se rellena 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 de limpieza, utilizan una malla de mayor resolución, mientras que otras áreas dentro del reactor utilizan una malla gruesa. Una vez producida la malla, cientos de miles de partículas virtuales se "disparan" a través de la cámara. Cada partícula tiene varias variables de interés asociadas y las partículas se "cosechan" después del reactor. El modelado de fases discretas produce la dosis administrada, la pérdida de carga y otros parámetros específicos de la cámara.
Cuando se completa la fase de modelado, los sistemas seleccionados se validan utilizando un tercero profesional para supervisar y determinar 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 reducción de la dosis equivalente (RED) de los reactores. La mayoría de los sistemas están validados para entregar 40 mJ/cm 2 dentro de una envolvente de flujo y transmitancia. [114]
Para validar la eficacia en los sistemas de agua potable, el método descrito en el manual de orientación UV de la EPA es el que suelen utilizar las empresas de agua de EE. UU., mientras que Europa ha adoptado la norma DVGW 294 de Alemania. Para los sistemas de aguas residuales, normalmente se utilizan los protocolos de las Pautas de desinfección ultravioleta para agua potable y reutilización del agua de NWRI/AwwaRF, especialmente en aplicaciones de reutilización de aguas residuales . [115]
{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: DOI inactivo a partir de enero de 2024 ( enlace ){{cite journal}}: Mantenimiento CS1: DOI inactivo a partir de enero de 2024 ( enlace )